LED驅動電源拓撲結構如何選擇

? ?隨著LED 的生產成本下降，其使用愈發普遍，所涵蓋的應用范圍從手持終端設備到車載，再到建筑照明。但驅動LED 并非沒有挑戰，本文對 LED特性及驅動LED 時需要權衡的因素作了概述，并對適用于驅動LED 和進行LED 調光的各種開關電源拓撲進行了詳盡的討論，此外還詳細說明了這些電源的相關優點。

? ? ? LED的高可靠性(使用壽命超過50，000個小時)、較高的效率(120流明/瓦)以及近乎瞬時的響應能力使其成為極具吸引力的光源。與白熾燈泡200mS的響應時間相比，LED會在短短5nS響應時間內發光。因此，目前它們已在汽車行業的剎車燈中得到廣泛采用。

? ? ? 驅動LED并非沒有挑戰。可調的亮度需要用恒定電流來驅動LED，并且無論輸入電壓如何都必須要保持該電流的恒定。這與僅僅將白熾燈泡連接到電池來為其供電相比更具有挑戰性。

　　LED具有類似于二極管的正向V-I特性。在低于LED開啟閾值(白光LED的開啟電壓閾值大約為3.5V)時，通經該LED的電流非常小。在高于該閾值時，電流會以正向電壓形式成指數倍遞增。這就允許將LED定型為帶有一個串聯電阻的電壓源，其中帶有一則警示說明：本模型僅在單一的工作DC電流下才有效。如果LED中的DC電流發生改變，那么該模型的電阻也應隨即改變，以反映新的工作電流。在大的正向電流下，LED中的功率耗散會使設備發熱，此舉將改變正向壓降和動態阻抗。在確定LED阻抗時充分考慮散熱環境是非常重要的。

　　當通過降壓穩壓器驅動LED時，LED常常會根據所選的輸出濾波器排列來傳導電感的AC紋波電流和DC電流。這不僅會提高LED中電流的RMS振幅，而且還會增大其功耗。這樣就可提高結溫并對LED的使用壽命產生重要影響。如果我們設定一個70%的光輸出限制作為LED的使用壽命，那么LED的壽命就會從74攝氏度度下的15，000小時延長到63攝氏度度下的40，000小時。

　　LED的功率損耗由LED電阻乘以RMS電流的平方再加上平均電流乘以正向壓降來確定。由于結溫可通過平均功耗來確定，因此即使是較大的紋波電流對功耗產生的影響也不大。例如，在降壓轉換器中，等于DC輸出電流(Ipk-pk=Iout)的峰至峰紋波電流會增加不超過10%的總功率損耗。如果遠遠超過上面的損耗水平，那么就需要降低來自電源的AC紋波電流以便使結溫和工作壽命保持不變。一條非常有用的經驗法則是結溫每降低10攝氏度，半導體壽命就會提高兩倍。實際上，由于電感器的抑制作用，因此大多數設計就趨向于更低的紋波電流。此外，LED中的峰值電流不應超過廠商所規定的最大安全工作電流額定值。

采用AC-DC電源的LED照明應用中，電源轉換的構建模塊包括二極管、開關(FET)、電感及電容及電阻等分立元件用于執行各自功能，而脈寬調制(PWM)穩壓器用于控制電源轉換。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC電源轉換包含反激、正激及半橋等拓撲結構，參見圖3，其中反激拓撲結構是功率小于30W的中低功率應用的標準選擇，而半橋結構則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結構中的變壓器而言，其尺寸的大小與開關頻率有關，且多數隔離型LED驅動器基本上采用“電子”變壓器。

圖1：LLC半橋諧振拓撲結構

采用DC-DC電源的LED照明應用中，可以采用的LED驅動方式有電阻型、線性穩壓器及開關穩壓器等，基本的應用示意圖參見圖4。電阻型驅動方式中，調整與LED串聯的電流檢測電阻即可控制LED的正向電流，這種驅動方式易于設計、成本低，且沒有電磁兼容(EMC)問題，劣勢是依賴于電壓、需要篩選(binning)LED，且能效較低。線性穩壓器同樣易于設計且沒有EMC問題，還支持電流穩流及過流保護(foldback)，且提供外部電流設定點，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關穩壓器通過PWM控制模塊不斷控制開關(FET)的開和關，進而控制電流的流動。

圖2：常見的DC-DC LED驅動方式

開關穩壓器具有更高的能效，與電壓無關，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復雜度也更高，且存在電磁干擾(EMI)問題。LED DC-DC開關穩壓器常見的拓撲結構包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉換器(SEPIC)等不同類型。其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED串最大電壓時采用降壓結構，如采用24Vdc驅動6顆串聯的LED；與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時采用升壓結構，如采用12Vdc驅動6顆串聯的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC結構，如采用12Vdc或12Vac驅動4顆串聯的LED，但這種結構的成本及能效最不理想。

采用交流電源直接驅動LED的方式近年來也獲得了一定的發展，其應用示意圖參見圖5。這種結構中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在線路電壓大于正向電壓時才導通。這種結構具有其優勢，如避免AC-DC轉換所帶來的功率損耗等。但是，這種結構中LED在低頻開關，故人眼可能會察覺到閃爍現象。此外，在這種設計中還需要加入LED保護措施，使其免受線路浪涌或瞬態的影響。

圖4中所顯示的信息有助于為LED驅動器選擇最佳的開關拓撲。除這些拓撲之外，您還可使用簡易的限流電阻器或線性穩壓器來驅動LED，但是此類方法通常會浪費過多功率。所有相關的設計參數包括輸入電壓范圍、驅動的LED數量、LED電流、隔離、EMI抑制以及效率。大多數的LED驅動電路都屬于下列拓撲類型：降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC和反激式拓撲。

圖4：備選的LED電源拓撲

圖5顯示了三種基本的電源拓撲示例。第一個示意圖所顯示的降壓穩壓器適用于輸出電壓總小于輸入電壓的情形。在圖5中，降壓穩壓器會通過改變MOSFET的開啟時間來控制電流進入LED。電流感應可通過測量電阻器兩端的電壓獲得，其中該電阻器應與LED串聯。對該方法來說，重要的設計難題是如何驅動MOSFET。從性價比的角度來說，推薦使用需要浮動柵極驅動的N通道場效應晶體管(FET)。這需要一個驅動變壓器或浮動驅動電路(其可用于維持內部電壓高于輸入電壓)。

圖5：簡單的降壓和升壓型拓撲為LED供電

圖5還顯示了備選的降壓穩壓器(buck#2)。在此電路中，MOSFET對接地進行驅動，從而大大降低了驅動電路要求。該電路可選擇通過監測FET電流或與LED串聯的電流感應電阻來感應LED電流。后者需要一個電平移位電路來獲得電源接地的信息，但這會使簡單的設計復雜化。

另外，圖5中還顯示了一個升壓轉換器，該轉換器可在輸出電壓總是大于輸入電壓時使用。由于MOSFET對接地進行驅動并且電流感應電阻也采用接地參考，因此此類拓撲設計起來就很容易。該電路的一個不足之處是在短路期間，通過電感器的電流會毫無限制。您可以通過保險絲或電子斷路器的形式來增加故障保護。此外，某些更為復雜的拓撲也可提供此類保護。

圖6：降壓-升壓型拓撲可調節大于或小于Vout的輸入電壓

圖6顯示了兩款降壓-升壓型電路，該電路可在輸入電壓和輸出電壓相比時高時低時使用。兩者具有相同的折衷特性(其中折衷可在有關電流感應電阻和柵極驅動位置的兩個降壓型拓撲中顯現)。圖6中的降壓-升壓型拓撲顯示了一個接地參考的柵極驅動。它需要一個電平移位的電流感應信號，但是該反向降壓-升壓型電路具有一個接地參考的電流感應和電平移位的柵極驅動。如果控制IC與負輸出有關，并且電流感應電阻和LED可交換，那么該反向降壓-升壓型電路就能以非常有用的方式進行配置。適當的控制IC，就能直接測量輸出電流，并且MOSFET也可被直接驅動。

該降壓-升壓方法的一個缺陷是電流相當高。例如，當輸入和輸出電壓相同時，電感和電源開關電流則為輸出電流的兩倍。這會對效率和功耗產生負面的影響。在許多情況下，圖7中的“降壓或升壓型”拓撲將緩和這些問題。在該電路中，降壓功率級之后是一個升壓。如果輸入電壓高于輸出電壓，則在升壓級剛好通電時，降壓級會進行電壓調節。如果輸入電壓小于輸出電壓，則升壓級會進行調節而降壓級則通電。通常要為升壓和降壓操作預留一些重疊，因此從一個模型轉到另一模型時就不存在靜帶。

當輸入和輸出電壓幾乎相等時，該電路的好處是開關和電感器電流也近乎等同于輸出電流。電感紋波電流也趨向于變小。即使該電路中有四個電源開關，通常效率也會得到顯著的提高，在電池應用中這一點至關重要。圖7中還顯示了SEPIC拓撲，此類拓撲要求較少的FET，但需要更多的無源組件。其好處是簡單的接地參考FET驅動器和控制電路。此外，可將雙電感組合到單一的耦合電感中，從而節省空間和成本。但是像降壓-升壓拓撲一樣，它具有比“降壓或升壓”和脈動輸出電流更高的開關電流，這就要求電容器可通過更大的RMS電流。

圖7：降壓或升壓型以及SEPIC拓撲提供了更高的效率

出于安全考慮，可能規定在離線電壓和輸出電壓之間使用隔離。在此應用中，最具性價比的解決方案是反激式轉換器(請參見圖8)。它要求所有隔離拓撲的組件數最少。變壓器匝比可設計為降壓、升壓或降壓-升壓輸出電壓，這樣就提供了極大的設計靈活性。但其缺點是電源變壓器通常為定制組件。此外，在FET以及輸入和輸出電容器中存在很高的組件應力。在穩定照明應用中，可通過使用一個“慢速”反饋控制環路(可調節與輸入電壓同相的LED電流)來實現功率因數校正(PFC)功能。通過調節所需的平均LED電流以及與輸入電壓同相的輸入電流，即可獲得較高的功率因數。

圖8：反激式轉換器可提供隔離和功率因數校正功能

需要對LED進行調光是一件很平常的事。例如，可能需要調節顯示屏或調節建筑燈的亮度。實現此操作的方式有兩種：即降低LED電流或快速打開LED再關閉，然后使眼睛最終得到平衡。因為光輸出并非完全與電流呈線性關系，因此降低電流的方法效率最低。此外，LED色譜通常會在電流低于額定值時發生改變。

請記住：人對亮度的感知成指數倍增，因此調光就需要電流出現更大的百分比變動。因為在全電流下，3%的調節誤差由于電路容差緣故可在10%的負載下放大成30%甚至更大的誤差，因此這會對電路設計產生重大的影響。盡管存在響應速度問題，但通過脈寬調制(PWM)來調節電流仍更為精確。當照明和顯示時，需要100Hz以上的PWM才能使人眼不會察覺到閃爍。10%的脈沖寬度處于毫秒范圍內，并且要求電源具有高于10kHz以上的帶寬。

如圖9所示，在許多應用中使用LED正變得日益普遍。它將會采用各種電源拓撲來為這些應用提供支持。通常，輸入電壓、輸出電壓和隔離需求將規定正確的選擇。在輸入電壓與輸出電壓相比總是時高時低時，采用降壓或升壓可能是顯而易見的選擇。但是，當輸入和輸出電壓的關系并非如此受抑制時，該選擇就變的更加困難，需要權衡許多因素，其中包括效率、成本和可靠性。

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