LED驅動電源的拓撲結構電路
發布時間：2013-4-17 12:06
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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 驅動 LED 并非沒有挑戰�？烧{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。 LED驅動電源的拓撲結構選擇分析 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30 W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(fold back)，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24 Vdc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12 Vdc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12 Vdc或12 Vac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3：直接采用交流驅動LED的示意圖 |
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