LED照明電源拓撲結構詳細分析

隨著(zhù)LED的生產(chǎn)成本下降，其使用愈發(fā)普遍，所涵蓋的應用范圍從手持終端設備到車(chē)載，再到建筑照明。LED的高可靠性(使用壽命超過(guò)50,000個(gè)小時(shí))、較高的效率(>120流明/瓦)以及近乎瞬時(shí)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(shí)間相比，LED會(huì )在短短5ns響應時(shí)間內發(fā)光。因此，目前它們已在汽車(chē)行業(yè)的剎車(chē)燈中得到廣泛采用。
　　驅動(dòng)LED
　　驅動(dòng)LED并非沒(méi)有挑戰�？烧{的亮度需要用恒定電流來(lái)驅動(dòng)LED，并且無(wú)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(lái)為其供電相比更具有挑戰性。
　　LED具有類(lèi)似于二極管的正向V-I特性。在低于LED開(kāi)啟閾值(白光LED的開(kāi)啟電壓閾值大約為3.5V)時(shí)，通經(jīng)該LED的電流非常小。在高于該閾值時(shí)，電流會(huì )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(gè)串聯(lián)電阻的電壓源，其中帶有一則警示說(shuō)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(fā)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(huì )使設備發(fā)熱，此舉將改變正向壓降和動(dòng)態(tài)阻抗。在確定LED阻抗時(shí)充分考慮散熱環(huán)境是非常重要的。
　　當通過(guò)降壓穩壓器驅動(dòng)LED時(shí)，LED常常會(huì )根據所選的輸出濾波器排列來(lái)傳導電感的AC紋波電流和DC電流。這不僅會(huì )提高LED中電流的RMS振幅，而且還會(huì )增大其功耗。這樣就可提高結溫并對LED的使用壽命產(chǎn)生重要影響。如果我們設定一個(gè)70%的光輸出限制作為L(cháng)ED的使用壽命，那么LED的壽命就會(huì )從74攝氏度度下的15,000小時(shí)延長(cháng)到63攝氏度度下的40,000小時(shí)。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(lái)確定。由于結溫可通過(guò)平均功耗來(lái)確定，因此即使是較大的紋波電流對功耗產(chǎn)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(huì )增加不超過(guò)10%的總功率損耗。如果遠遠超過(guò)上面的損耗水平，那么就需要降低來(lái)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(jīng)驗法則是結溫每降低10攝氏度，半導體壽命就會(huì )提高兩倍。實(shí)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(guò)廠(chǎng)商所規定的最大安全工作電流額定值。
　　拓撲選擇
　　表1中所顯示的信息有助于為L(cháng)ED驅動(dòng)器選擇最佳的開(kāi)關(guān)拓撲。除這些拓撲之外，您還可使用簡(jiǎn)易的限流電阻器或線(xiàn)性穩壓器來(lái)驅動(dòng)LED，但是此類(lèi)方法通常會(huì )浪費過(guò)多功率。所有相關(guān)的設計參數包括輸入電壓范圍、驅動(dòng)的LED數量、LED電流、隔離、EMI抑制以及效率。大多數的LED驅動(dòng)電路都屬于下列拓撲類(lèi)型：降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC和反激式拓撲。

表1備選的LED電源拓撲
    圖1顯示了三種基本的電源拓撲示例。第一個(gè)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1中，降壓穩壓器會(huì )通過(guò)改變MOSFET的開(kāi)啟時(shí)間來(lái)控制電流進(jìn)入LED。電流感應可通過(guò)測量電阻器兩端的電壓獲得，其中該電阻器應與LED串聯(lián)。對該方法來(lái)說(shuō)，重要的設計難題是如何驅動(dòng)MOSFET。從性?xún)r(jià)比的角度來(lái)說(shuō)，推薦使用需要浮動(dòng)柵極驅動(dòng)的N通道場(chǎng)效應晶體管(FET)。這需要一個(gè)驅動(dòng)變壓器或浮動(dòng)驅動(dòng)電路(其可用于維持內部電壓高于輸入電壓)。
　　在此電路中，MOSFET對接地進(jìn)行驅動(dòng)，從而大大降低了驅動(dòng)電路要求。該電路可選擇通過(guò)監測FET電流或與LED串聯(lián)的電流感應電阻來(lái)感應LED電流。后者需要一個(gè)電平移位電路來(lái)獲得電源接地的信息，但這會(huì )使簡(jiǎn)單的設計復雜化。另外，圖1中還顯示了一個(gè)升壓轉換器，該轉換器可在輸出電壓總是大于輸入電壓時(shí)使用。由于MOSFET對接地進(jìn)行驅動(dòng)并且電流感應電阻也采用接地參考，因此此類(lèi)拓撲設計起來(lái)就很容易。該電路的一個(gè)不足之處是在短路期間，通過(guò)電感器的電流會(huì )毫無(wú)限制。您可以通過(guò)保險絲或電子斷路器的形式來(lái)增加故障保護。此外，某些更為復雜的拓撲也可提供此類(lèi)保護。

　該電路可在輸入電壓和輸出電壓相比時(shí)高時(shí)低時(shí)使用。兩者具有相同的折衷特性(其中折衷可在有關(guān)電流感應w w w . d z i u u . c o m