高效率LED驅(qū)動電源設(shè)計(jì)全解(1)
隨著led生產(chǎn)成本下降，越來越多應(yīng)用開始采用這類組件，包括手持裝置、汽車電子和建筑照明等。LED擁有高可靠性、良好效率和超快響應(yīng)速度，所以很適合作為照明光源。雖然白熾燈泡的成本很低，更換費(fèi)用卻可能很昂貴。街燈就是很好的例子，更換一個故障燈泡往往需要出動多位人員和一輛卡車。也因?yàn)槿绱耍M管LED和白熾燈泡的效率大致相等，許多街燈卻采用可靠性更高且更省電的LED。
白熾燈雖能發(fā)出連續(xù)光譜，卻常用于交通號志等只需綠光、紅光和黃光的場合。這類應(yīng)用須在白熾燈外加裝一個特定顏色的濾片，但它會造成六成的光能浪費(fèi)。LED則能產(chǎn)生特定顏色的光，而且只要接通電源即可立即發(fā)亮，不像白熾燈需要200ms的反應(yīng)時間，因此汽車產(chǎn)業(yè)早就將LED用于車燈。另外，DLP視訊應(yīng)用也以LED作為光源，利用高速開關(guān)的LED取代原有機(jī)械組件。
LED的I-V特性
圖1是典型InGaAlP LED的正向電壓特性。LED電路模型可表示為一個電壓源串聯(lián)一個電阻，這個簡單模型與實(shí)際測量結(jié)果很吻合。電壓源為負(fù)溫度系數(shù)，因此正向電壓會隨著接面溫度升高而下降。InGaAlP LED（黃色與琥珀紅）的溫度系數(shù)在-3.0～-5.2mV/K之間，InGaN LED（藍(lán)、綠和白色）則介于-3.6～-5.2mV/K之間。負(fù)溫度系數(shù)是造成LED很難并聯(lián)的原因之一，因?yàn)樵綗岬慕M件會汲取越多的電流，越多的電流又會讓它的溫度進(jìn)一步升高，最后就變成熱失控。
圖1：以電壓源和串聯(lián)電阻作為LED電路模型后得到的I-V特性曲線
圖2是輸出光強(qiáng)度（光通量）與操作電流的關(guān)系，可以看出輸出光強(qiáng)度與二極管電流的關(guān)系很密切，只要改變正向電流就能調(diào)整LED的亮度。另外，這條曲線在電流較小時很像是一條直線，但其斜率在電流升高時會變得較小。這表示當(dāng)電流較小時，只要二極管電流加倍就會讓輸出光強(qiáng)度加倍。電流較大時則非如此，此時電流加倍只會讓輸出光強(qiáng)度提高八成。這項(xiàng)特性對LED很重要，因?yàn)樗怯山粨Q式電源所驅(qū)動，所以可能會遇到很大的紋波電流。其實(shí)電源供應(yīng)的成本在某種程度上就是由所允許的電流決定：紋波電流越大，電源供應(yīng)的成本就越低，只不過LED的輸出光強(qiáng)度也會受到影響。
圖2：LED效率在電流超過1A后開始下降
圖3是把三角紋波電流加到直流輸出電流后，輸出光強(qiáng)度減少的情形。由于紋波電流的頻率在多數(shù)情形下都遠(yuǎn)超過人眼所能分辨的80Hz，再加上人眼對光強(qiáng)度的反應(yīng)又呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，只要光強(qiáng)度減少不超過20%就不會被發(fā)現(xiàn)，因此就算LED電流的紋波很大，光強(qiáng)度也不會明顯減弱。
圖3：紋波電流造成LED輸出光強(qiáng)度略為下降
紋波電流還會增加LED耗電量，造成接面溫度上升，并對LED的使用壽命產(chǎn)生很大影響。圖4顯示LED輸出光強(qiáng)度與時間及接面溫度的關(guān)系。我們設(shè)定80%的輸出光強(qiáng)度為LED的使用壽命，則從圖4中可看出，當(dāng)溫度從74℃降至63℃時，LED使用壽命會從10 000小時增加為25 000小時。
圖4：接面溫度升高會縮短LED的使用壽命
圖5是紋波電流造成LED功耗增加的情形。由于紋波頻率比LED的熱時間常數(shù)高，因此就算紋波電流很大 （以及峰值功耗很大）也不會影響峰值接面溫度——這個溫度主要是由平均功耗決定。LED的大部份電壓降就像是一個電壓源，所以電流波形不會對功耗造成影響。然而電壓降中仍會有某些電阻分量，這部份的功耗等于電阻值乘以均方根電流的平方。
圖5：紋波電流導(dǎo)致LED耗電增加
從圖5還能發(fā)現(xiàn)就算紋波電流很高，也不會對LED功耗造成太大影響。舉例來說，當(dāng)紋波電流達(dá)到輸出電流的一半時，耗電量只會增加不到5%。但若紋波電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個水平，設(shè)計(jì)人員就必須減少電源提供的直流電流，避免接面溫度升高而影響組件壽命。一個簡單的經(jīng)驗(yàn)法則是：接面溫度每降低10℃，半導(dǎo)體組件壽命就會延長一倍。另外，多數(shù)設(shè)計(jì)由于受到電感的限制，都會盡量降低紋波電流，因?yàn)榇蟛糠蛛姼兄荒軕?yīng)付20%以下的Ipk/Iout紋波電流比。
典型應(yīng)用
LED電流常由安定電阻或線性穩(wěn)壓器控制，但本文主要討論交換式穩(wěn)壓器。LED驅(qū)動架構(gòu)基本上可分為降壓、升壓和升降壓等三種類型，實(shí)際架構(gòu)則應(yīng)由輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系決定。
如果輸出電壓永遠(yuǎn)低于輸入電壓，則可采用圖6所示的降壓穩(wěn)壓器。在此電路里，輸出濾波電感L1的平均電壓是由功率開關(guān)的負(fù)載周期所控制。TPS5430內(nèi)含的FET開關(guān)導(dǎo)通時會將輸入電壓連接到電感L1并產(chǎn)生電流，逆向電壓保護(hù)二極管D2則會在開關(guān)截止時提供另一條電流路徑。L1電感可以穩(wěn)定LED電流，因?yàn)殡娐窌高^電阻監(jiān)控LED電流，然后比較電阻電壓與控制組件內(nèi)部的參考電壓以判斷電流大小：如果電流太小，就增加功率開關(guān)的負(fù)載周期來提高L1電感的平均電壓，以便讓LED電流升高。這個電路的工作效率很高，因?yàn)楣β书_關(guān)、逆向電壓保護(hù)二極管和電流感測電阻的電壓降都很小。
圖6：降壓式LED驅(qū)動器會將輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓
如果輸出電壓永遠(yuǎn)大于輸入電壓，圖7所示的升壓轉(zhuǎn)換架構(gòu)就是最佳選擇。這個設(shè)計(jì)除了控制電路外，同樣會使用內(nèi)含功率開關(guān)的組件U1。功率開關(guān)導(dǎo)通時，電流會通過電感到地。開關(guān)截止時，U1接腳1的電壓會上升直到D1導(dǎo)通，電感也會經(jīng)由輸出電容C3和多個串聯(lián)的LED開始放電。多數(shù)應(yīng)用會利用C3穩(wěn)定LED電流，若沒有該電容，LED電流會變成在零與電感電流之間交替切換的不連續(xù)電流，不僅會降低LED的亮度，還會產(chǎn)生更多熱量而縮短LED壽命。此電路也和前面一樣利用電阻感測LED電流，再根據(jù)結(jié)果調(diào)整負(fù)載周期。注意，此架構(gòu)很大的缺點(diǎn)是沒有提供短路保護(hù)，輸出端短路會造成龐大電流通過電感與二極管，將導(dǎo)致電路故障或輸入電壓大幅下降。
圖7：整合式升壓LED驅(qū)動器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為高電壓