看LED電源拓撲如何有效提升LED照明效能實例
2013-12-24 13:58:56 來源：http://ic.big-bit.com/
LED可在5奈秒的時間內(nèi)產(chǎn)生光，而白熱燈泡的反應(yīng)時間則是200毫秒，因此汽車工業(yè)已將LED運用于煞車燈上。本文將針對LED特性以及驅(qū)動LED的折沖情形進行介紹，深入探討適合$LED驅(qū)動及調(diào)光的各種切換式電源拓撲，并詳細說明相關(guān)優(yōu)點。
穩(wěn)定電流驅(qū)動LED維持固定亮度
LED驅(qū)動仍面臨許多挑戰(zhàn)，要維持固定的亮度，需要以穩(wěn)定電流驅(qū)動LED，且不受到輸入電壓的影響，相較于白熱燈泡單純接上電池作為電源的挑戰(zhàn)更大。
LED具有順向V-I特性，與二極管情形類似。$白光LED的開啟閾值約為3.5伏特，在此閾值之下，通過LED的電流量非常少。超過此閾值之后，電流會以指數(shù)方式增強，造成順向電壓遞增，LED因而成為具有串聯(lián)電阻的電壓來源模型。不過須要注意，此模型僅在直流電流單一操作的情況下有效，如果LED中的直流電流改變，則模型中的電阻也應(yīng)該改變，以顯現(xiàn)新的操作電流。在大量順向電流的情況下，LED中所消耗的電力會提升裝置溫度，改變順向壓降與動態(tài)阻抗，決定LED阻抗時，務(wù)必考慮環(huán)境的熱度。
如果LED是由$降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動，除了直流電流之外，LED常會傳導(dǎo)電感的交流鏈波電流，根據(jù)所選擇的輸出濾波器安排情形而定。這會增加LED中電流的RMS強度，也會增加其功率的消耗，并使結(jié)點溫度升高，對LED的壽命有重大影響。如果在燈光輸出上設(shè)立70%的限制作為LED的使用年限，便可增加LED的壽命，由74℃的 15,000小時，延長到63℃的40,000小時。LED中功率流失的判定方法，是將LED電阻乘上RMS電流的平方，加上由平均電流乘上順向壓降的數(shù)值。由于結(jié)點溫度是由平均功率所決定，即使出現(xiàn)大量的鏈波電流，對功率消耗的影響也很小。舉例來說，在降壓穩(wěn)壓器當(dāng)中，相等于直流輸出電流的峰間鏈波電流 (Ipk-pk=Iout)，總功率損耗將增加不到10%。如果是大于此程度相當(dāng)多的情況，則必須降低供應(yīng)的交流鏈波電流，以維持結(jié)點溫度及操作壽命。在此有一個實用的基本原則，就是結(jié)點溫度降低10℃，半導(dǎo)體的壽命就會增加兩倍。實際上大部分的設(shè)計，因為電感限制的關(guān)系，傾向使用低上許多的鏈波電流。另外，LED中的峰值電流，不應(yīng)超過制造商指定的最大安全操作額定值。
LED應(yīng)用于多種領(lǐng)域需多種電源拓撲支持
表1的信息可供作選擇$LED驅(qū)動器最佳切換拓撲的參考。除了這些拓撲之外，也可以使用簡單的電流限制電阻或是線性穩(wěn)壓器，不過這些方法通常會耗用過多功率。輸入電壓范圍、驅(qū)動的LED數(shù)目、LED電流、隔離、電磁干擾(EMI)限制以及效能，都是相關(guān)的設(shè)計參數(shù)。大部分的LED驅(qū)動電路可分為以下幾種拓撲類別：降壓、升壓、降壓升壓、SEPIC以及返馳。
圖1顯示三個基本電源拓撲的例子，第一張圖所顯示的降壓穩(wěn)壓器，可使用于輸出電壓永遠小于輸入電壓的情形。圖1中，降壓穩(wěn)壓器改變金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)的導(dǎo)通時間，以控制進入LED的電流?？稍竭^電阻測量電壓以進行電流偵測;電阻與LED為串聯(lián)狀態(tài)。驅(qū)動MOSFET是本方法在設(shè)計上的重大挑戰(zhàn)，如果從成本及效能的觀點來看，建議使用須要浮接閘極驅(qū)動的N信道FET。N信道FET須要使用驅(qū)動變壓器或是浮動驅(qū)動電路，兩者都可維持電壓高于輸入電壓。
圖1也顯示替代的降壓穩(wěn)壓器(Buck #2)。在此電路中，MOSFET的驅(qū)動與接地有關(guān)，大幅降低了驅(qū)動電路的需求。本電路偵測$LED電流的方法為監(jiān)控FET電流，或是與LED串聯(lián)的電流偵測電阻。如果采用后者，則須要使用位準(zhǔn)移位電路，將此信息送至接地電源，并將簡單的設(shè)計復(fù)雜化。同樣顯示于圖1中的升壓轉(zhuǎn)換器，則是在輸出電壓永遠大于輸入時使用。這種拓撲設(shè)計容易，因為MOSFET的驅(qū)動與接地有關(guān)，而電流偵測電阻也是屬于接地引用類型。此電路的缺點是在短路時，無法限制通過電感的電流，可以使用保險絲或電路斷路器，作為故障保護裝置。此外，還有一些較復(fù)雜的拓撲可提供這類保護。
圖2顯示兩種降壓升壓電路，可在輸入電壓可能大于或小于輸出電壓的情形下使用。這些電路與前述兩種降壓拓撲有相同的折沖特點，與電流偵測電阻與門極驅(qū)動的位置有關(guān)。圖2的降壓升壓拓撲，顯示接地參考的閘極驅(qū)動。此拓撲需要位準(zhǔn)移位電流偵測訊號，不過反向的升壓降壓拓撲則具有接地參考的電流偵測及位準(zhǔn)移位閘極驅(qū)動。如果控制IC與負輸出有關(guān)，且電流偵測電阻與LED進行交換，即可利用有效的方式配置反向升壓降壓拓撲。只要適當(dāng)控制IC，即可直接測量輸出電流，也可以直接驅(qū)動MOSFET。
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