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摘要：  本文將詳細討論這種用于LED的轉(zhuǎn)換器設(shè)計，并給出 多種克服其固有缺點的方法。

關(guān)鍵字：  LED驅(qū)動器，  電感，  IC，  解決方案

雖然在輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓時，峰值電流模式控制的非連續(xù)升降壓轉(zhuǎn)換器是LED驅(qū)動器的一個不錯選擇。但是，采用這種升降壓轉(zhuǎn)換器來設(shè)計驅(qū) 動器時，LED電壓的變化會改變LED電流，LED開路將導致輸出端產(chǎn)生過高的電壓，從而損壞轉(zhuǎn)換器。本文將詳細討論這種用于LED的轉(zhuǎn)換器設(shè)計，并給出多種克服其固有缺點的方法。

發(fā)光二極管(LED)的應(yīng)用已有很多年，隨著最新技術(shù)的進步，它們正逐漸成為照明市場中強有力的競爭者。新的高亮度LED具有很長的壽命(約10萬小時)和很高的效率(約30流明/瓦)。過去三十多年來，LED的光輸出亮度每l8～24個月便會翻一番，而且這種增長勢頭還會持續(xù)下去，這種趨勢稱為Haitz定律，相當于LED的摩爾定律。

從電氣上來說，LED與二極管類似，它們也是單向?qū)щ?盡管它們的反向阻斷能力并不太好，高的反向電壓很容易損壞(LED)，并具有與常規(guī)二極管類似的低動態(tài)阻抗V-I特性。另外，LED一般都有安全導通時的額定電流(高亮度LED的額定電流一般為350mA或700mA)。通過額定電流時，LED正向壓降的差異可能比較大，通常350mA白光LED的壓降在3～4V之間。

驅(qū)動LED需要受控的DC電流。為了使LED的使用壽命長些，LED電流中的紋波必須很低，因為高紋波電流會使LED產(chǎn)生較大的阻性功耗，降低LED使用壽命。LED驅(qū)動電路需要更高效率，因為總體效率不僅取決于LED本身，也與驅(qū)動電路有關(guān)。而工作于電流控制模式的開關(guān)轉(zhuǎn)換器是滿足LED應(yīng)用 的高功率及高效率要求的理想驅(qū)動方案。

驅(qū)動多個LED也需要仔細考慮。圖1是LED的串并聯(lián)連接電路。其中圖1(a)為LED的并聯(lián)連接電路。圖1(h)是LED的串聯(lián)連接電路。由于各個LED的動態(tài)阻抗和正向壓降不相同，因此，如果沒有外部均流電路(如電流鏡像)，就不可能保證流過LED上的電流相同;此外，由于一個LED 出現(xiàn)故障將使LED串斷開，從而致使所有LED電流在剩下的LED串之間分配，這將導致LED串上的電流增大，從而可能損壞LED。因此，出于上面兩個原因，設(shè)計時一般不用如圖1(a)那樣的并聯(lián)LED電路。

因此，更好的做法是將LED串聯(lián)起來。但該方法的缺點是，如果一個LED 出現(xiàn)故障，則整個LED串將停止工作。讓剩下的LED串繼續(xù)工作的一個簡單辦法是將一個齊納二極管(其額定電壓大于LED的最高電壓)與每個(或每組) LED并聯(lián)，如圖1(b)所示。這樣，任何一個LED發(fā)生故障后，其電流都會流到相應(yīng)的齊納二極管上，LED串的其余部分仍可正常工作。

基本的單階開關(guān)轉(zhuǎn)換器可分為三類：降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器和升降壓轉(zhuǎn)換器。當LED串的電壓低于輸入電壓時，降壓轉(zhuǎn)換器圖2(a)是理想的選 擇;當輸入電壓總是低于串輸出電壓時，則使用升壓轉(zhuǎn)換器比較合適圖2(b);當輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓時(由輸出或輸入變化引起)，則采用升降壓轉(zhuǎn)換器圖2(c)比較合適。升壓轉(zhuǎn)換器的缺點是，輸入電壓的任何瞬變(可使輸入電壓升高并超過輸出電壓)都會導致LED上流過很大電流(由于負載的低動態(tài)阻抗)，從而損壞LED。升降壓轉(zhuǎn)換器也可代替升壓轉(zhuǎn)換器，因為輸入電壓的瞬變不會影響LED電流。

升降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

對于低電壓應(yīng)用中的LED驅(qū)動器，升降壓轉(zhuǎn)換器是一種不錯的選擇。其原因有它們可用高于和低于輸入電壓的電壓來驅(qū)動LED串(升壓和降壓)、效率很高(很容易到達85%以上)、非連續(xù)工作模式可抑制輸入電壓的變化(提供優(yōu)良的線電壓調(diào)節(jié))、峰值電流控制模式允許轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)LED電流，而無需復雜的補償(簡化設(shè)計)、很容易實現(xiàn)線性和PWM LED亮度調(diào)節(jié)、開關(guān)晶體管失效不會損壞LED等等。圖2給出了降壓、升壓和升降壓轉(zhuǎn)換器與LED串的連接電路。

但是，這種方法仍有缺點：一是峰值電流受控問題，因為采用非連續(xù)電流模式的升降壓轉(zhuǎn)換器是一種功率恒定的轉(zhuǎn)換器。因此，LED串電壓的任何變化都會引起LED電流的相應(yīng)改變;另一個問題是LED開路狀態(tài)會在電路中產(chǎn)生損壞轉(zhuǎn)換器的高電壓;此外，還需要額外的電路將恒定功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣娏鬓D(zhuǎn)換器，并需要在無負載情況下保護轉(zhuǎn)換器。

圖3所示為具體的升降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路，該控制器內(nèi)置了用于設(shè)定開關(guān)頻率的振蕩器。在開關(guān)周 期之初，Q1導通。由于輸入電壓VIN加在電感上，電感電流(iL(t))開始從零(初始穩(wěn)定狀態(tài))開始上升。當感應(yīng)電流上升至預先設(shè)定的電流值 (ipk)時，Q1關(guān)閉。開關(guān)導通時間(ton)由下式確定：

ton=ipkL/VIN

此時，存儲在電感內(nèi)的總能量(J)為：

J=Li2pk/2

這樣，盡管此時開關(guān)會關(guān)閉，但流經(jīng)電感的電流并不會中斷。這會使二極管D1導通，并在電感兩端產(chǎn)生輸出電壓(-Vo)，這個負電壓會導致電感電流迅速下降。經(jīng)過一定時間tOFF后，電感電流趨于零。此時間可通過下列公式來計算：

tOFF=ipkL/VO

為使轉(zhuǎn)換器工作在非連續(xù)導通模式下，開關(guān)導通時間與電感電流下降時間的總和必須小于或等于開關(guān)周期TS，以便確保在下一個開關(guān)周期時，電感電流能夠從零開始。

事實上，在輸入電壓最小和輸出電壓最大的情況下，(tON+tOFF)可取得最大值。因此，確保在這些電壓下轉(zhuǎn)換器工作于非連續(xù)導通模式可保證在任何情況下都能滿足下式所列的條件： tON+tOFF≤Ts

轉(zhuǎn)換器從輸入端獲得的功率(Pin)電感中的能量與開關(guān)頻率f的乘積：即：

Pin=fsLi2pk/2

假設(shè)LED串的電壓(VO)恒定且效率為100%，那么LED的電流(iLED)為：

iLED=PIN/VLED=Li2pkfs/2V

在峰值電流控制模式下，ipk通常是一個固定值。因此，LED電流完全獨立(理論上)于輸入電壓。在固定的ipk下，輸入電壓的上升(下降)會引起晶體管的導通時間成反比例減少(增加)，這將提供很好的線電壓調(diào)節(jié)。在實際應(yīng)用中，從控制IC檢測到電流峰值到GATE引腳實際關(guān)斷之間的延遲會引起 輸入功率變化。導通時間較短會由于延遲時間而出現(xiàn)更多誤差，因為延遲時間將會占導通時間相當大的部分。

實際上，LED電流與LED串的電壓成反比。一個標稱輸出為20 V和350 mA的電路，將在10V輸出電壓時產(chǎn)生700 mA的電流，這顯然不是期望的結(jié)果。但是，通過使開關(guān)頻率與輸出電壓成正比，上述公式提供了一種將恒定功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為恒定電壓轉(zhuǎn)換器的方法。

假設(shè)fs=KVO，其中K是常數(shù)，那么有：

iLED=kLi2pk/2

這樣，iLED將獨立于輸入和輸出電壓。

回掃轉(zhuǎn)換器的另一個缺點是它易受輸出開路狀態(tài)的影響。當LED開路時，存儲在電感內(nèi)的能量在每次開關(guān)導通時間的最后都會被轉(zhuǎn)移到輸出電容里。這樣，缺少電容放電的負載將導致電容兩端的電壓逐漸上升，最后超過器件的標稱值并損壞功率級。因此，可通過增加額外電路來提供輸出電壓反饋及過壓保護。

輸出電壓反饋

圖4是一個可實現(xiàn)過壓保護和LED開路保護的額外電路。實際上，很多峰值電流模式控制器IC都具有專用的RT引腳。與該引腳相連的電阻可用來設(shè) 置內(nèi)部電流，其內(nèi)部電流用來給振蕩器電容(可以是內(nèi)部或外部)充電。振蕩器電容上的斜坡電壓控制開關(guān)頻率，這樣，開關(guān)頻率與RT引腳的輸出電流成正比。電阻越小(大)，電流就越大(小)，開關(guān)頻率也就越高(低)?；谶@一原理，可利用輸出電壓反饋來調(diào)整開關(guān)頻率。

在圖4所示電路中，電阻R3和R4構(gòu)成一個分壓器。R4上的電壓減去晶體管Q2基極和發(fā)射極之間的壓降(Vbe)就是R5上的電壓。因此，流經(jīng)R5的電流(IR5)為：

該電流是利用匹配的晶體管對從控制IC的引腳RT獲得的。

圖4中的電阻R2用于啟動轉(zhuǎn)換器。在啟動狀態(tài)下，輸出電壓為零，因而IR5也為零。由于沒有來自控制器RT引腳的電流，所以轉(zhuǎn)換器無法啟動。增加電阻R2可以在啟動狀態(tài)下獲得一小部分電流，并使R2的大小滿足：

IR5>>V(RT)/R2

其中V(RT)是控制器RT引腳上的電壓。滿足該條件可確保轉(zhuǎn)換器的啟動，并將R2帶來的誤差降至最低。如選R3=R4，則有：

IR5>>VO/2R5

這里假定輸出電壓比Q2的基極-發(fā)射極壓降大得多。

這樣，根據(jù)以上各公式便可以得到輸出LED電流為：

iLED=KICLi2pk/(2×2R5)

這樣，LED電流將不再決定于輸入或輸出電壓。采用電阻R6、晶體管Q3和齊納二極管D2可增加過壓保護功能。在LED開路狀態(tài)下，當開關(guān)導通時，電感存儲能量，當開關(guān)關(guān)閉時，該能量轉(zhuǎn)移到輸出電容上。因為沒有足夠的負載供電容放電，輸出電壓在每個周期都會逐漸升高。當電壓升高到超過齊納二極管的導通電壓時，由D2和R6組成的齊納二極管分支電路開始導通。這也提供了一條通過Q3基極電流的路徑，使Q3導通。此時，電阻R4實際上被短路。因此，Q2的基極發(fā)射極的PN結(jié)將關(guān)閉，導致R5上的電流為零。這將停止控制器的內(nèi)部振蕩直到輸出電壓降到齊納二極管電壓以下，以上過程繼續(xù)進行。這種猝發(fā)模式可將LED開路狀態(tài)下的平均功率降至最小。這種過壓保護方法將強制控制IC進入低頻、低功率的工作模式。

齊納二極管電阻分支電路上的電流必須能在R6上產(chǎn)生足夠大的電壓，以便為晶體管基極-發(fā)射極之間的PN結(jié)提供偏置。

結(jié)束語

在帶有輸出電流反饋的開關(guān)LED驅(qū)動器中，一般還需要反饋補償來穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器，并調(diào)節(jié)電流以達到期望的電流值。這些反饋方案的瞬態(tài)響應(yīng)性能是有限的，無法滿足LED的PWM亮度調(diào)節(jié)所需要的快速開/關(guān)瞬態(tài)響應(yīng)。然而，本文所描述的轉(zhuǎn)換器并不要求任何反饋補償。該控制方案所用的唯一反饋信息是通過傳感電阻獲得流經(jīng)MOSFET的峰值電流。因為轉(zhuǎn)換器在每個周期都存儲所需的能量，所以它可以對瞬態(tài)做出即時響應(yīng)。因此它可以很方便地與PWM亮度調(diào)節(jié)方案 一起工作。

升降壓轉(zhuǎn)換器是低直流電壓輸入LED驅(qū)動器的有效解決方案，無論輸出電壓高于還是低于輸入電壓，它都可以驅(qū)動LED串。此外，還可在轉(zhuǎn)換器中增 加小型而低廉的額外電路以克服負載調(diào)節(jié)和無負載狀態(tài)下的問題。該轉(zhuǎn)換器易于實現(xiàn)，且在峰值電流模式控制時無需進行反饋補償沒計。它所具有的開環(huán)特性也使之成為那些需要PWM亮度調(diào)節(jié)的應(yīng)用中的理想選擇。