基于升降壓轉(zhuǎn)換器的LED照明驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　雖然在輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓時(shí)，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(dòng)器的一個(gè)不錯(cuò)選擇。但是，采用這種升降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，LED電壓的變化會(huì)改變LED電流，LED開(kāi)路將導(dǎo)致輸出端產(chǎn)生過(guò)高的電壓，從而損壞轉(zhuǎn)換器。本文將詳細(xì)討論這種用于LED的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，并給出多種克服其固有缺點(diǎn)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(jìn)步，它們正逐漸成為照明市場(chǎng)中強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。新的高亮度LED具有很長(zhǎng)的壽命（約10萬(wàn)小時(shí)）和很高的效率（約30流明／瓦）。過(guò)去三十多年來(lái)，LED的光輸出亮度每l8～24個(gè)月便會(huì)翻一番，而且這種增長(zhǎng)勢(shì)頭還會(huì)持續(xù)下去，這種趨勢(shì)稱為Haitz定律，相當(dāng)于LED的摩爾定律。

　　從電氣上來(lái)說(shuō)，LED與二極管類似，它們也是單向?qū)щ姡ūM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(dòng)態(tài)阻抗V-I特性。另外，LED一般都有安全導(dǎo)通時(shí)的額定電流（高亮度LED的額定電流一般為350mA或700mA）。通過(guò)額定電流時(shí)，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(dòng)LED需要受控的DC電流。為了使LED的使用壽命長(zhǎng)些，LED電流中的紋波必須很低，因?yàn)楦呒y波電流會(huì)使LED產(chǎn)生較大的阻性功耗，降低 LED使用壽命。LED驅(qū)動(dòng)電路需要更高效率，因?yàn)榭傮w效率不僅取決于LED本身，也與驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)。而工作于電流控制模式的開(kāi)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(dòng)方案。

　　驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED也需要仔細(xì)考慮。圖1是LED的串并聯(lián)連接電路。其中圖1（a）為L(zhǎng)ED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(gè)LED的動(dòng)態(tài)阻抗和正向壓降不相同，因此，如果沒(méi)有外部均流電路（如電流鏡像），就不可能保證流過(guò)LED上的電流相同；此外，由于一個(gè)LED 出現(xiàn)故障將使LED串?dāng)嚅_(kāi)，從而致使所有LED電流在剩下的LED串之間分配，這將導(dǎo)致LED串上的電流增大，從而可能損壞LED。因此，出于上面兩個(gè)原因，設(shè)計(jì)時(shí)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(lái)。但該方法的缺點(diǎn)是，如果一個(gè)LED 出現(xiàn)故障，則整個(gè)LED串將停止工作。讓剩下的LED串繼續(xù)工作的一個(gè)簡(jiǎn)單辦法是將一個(gè)齊納二極管（其額定電壓大于LED的最高電壓）與每個(gè)（或每組）LED并聯(lián)，如圖1（b）所示。這樣，任何一個(gè)LED發(fā)生故障后，其電流都會(huì)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(kāi)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(dāng)LED串的電壓低于輸入電壓時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器圖2（a）是理想的選擇；當(dāng)輸入電壓總是低于串輸出電壓時(shí)，則使用升壓轉(zhuǎn)換器比較合適圖2（b）；當(dāng)輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓時(shí)（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(diǎn)是，輸入電壓的任何瞬變（可使輸入電壓升高并超過(guò)輸出電壓）都會(huì)導(dǎo)致LED上流過(guò)很大電流（由于負(fù)載的低動(dòng)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?yàn)檩斎腚妷旱乃沧儾粫?huì)影響LED電流。

　　升降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

　　對(duì)于低電壓應(yīng)用中的LED驅(qū)動(dòng)器，升降壓轉(zhuǎn)換器是一種不錯(cuò)的選擇。其原因有它們可用高于和低于輸入電壓的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)LED串（升壓和降壓）、效率很高（很容易到達(dá)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(wú)需復(fù)雜的補(bǔ)償（簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)）、很容易實(shí)現(xiàn)線性和PWM LED亮度調(diào)節(jié)、開(kāi)關(guān)晶體管失效不會(huì)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(diǎn)：一是峰值電流受控問(wèn)題，因?yàn)椴捎梅沁B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(huì)引起LED電流的相應(yīng)改變；另一個(gè)問(wèn)題是LED開(kāi)路狀態(tài)會(huì)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(wú)負(fù)載情況下保護(hù)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(kāi)關(guān)頻率的振蕩器。在開(kāi)關(guān)周期之初，Q1導(dǎo)通。由于輸入電壓VIN加在電感上，電感電流（iL（t））開(kāi)始從零（初始穩(wěn)定狀態(tài)）開(kāi)始上升。當(dāng)感應(yīng)電流上升至預(yù)先設(shè)定的電流值 （ipk）時(shí)，Q1關(guān)閉。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間（ton）由下式確定：

　　ton=ipkL/VIN

　　此時(shí)，存儲(chǔ)在電感內(nèi)的總能量（J）為：

　　J=Li2pk/2

　　這樣，盡管此時(shí)開(kāi)關(guān)會(huì)關(guān)閉，但流經(jīng)電感的電流并不會(huì)中斷。這會(huì)使二極管D1導(dǎo)通，并在電感兩端產(chǎn)生輸出電壓（-Vo），這個(gè)負(fù)電壓會(huì)導(dǎo)致電感電流迅速下降。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間tOFF后，電感電流趨于零。此時(shí)間可通過(guò)下列公式來(lái)計(jì)算：

　　tOFF=ipkL/VO

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

　　事實(shí)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(dǎo)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(kāi)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(gè)固定值。因此，LED電流完全獨(dú)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(huì)引起晶體管的導(dǎo)通時(shí)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(shí)際應(yīng)用中，從控制IC檢測(cè)到電流峰值到GATE引腳實(shí)際關(guān)斷之間的延遲會(huì)引起輸入功率變化。導(dǎo)通時(shí)間較短會(huì)由于延遲時(shí)間而出現(xiàn)更多誤差，因?yàn)檠舆t時(shí)間將會(huì)占導(dǎo)通時(shí)間相當(dāng)大的部分。

　　實(shí)際上，LED電流與LED串的電壓成反比。一個(gè)標(biāo)稱輸出為20 V和350 mA的電路，將在10 V輸出電壓時(shí)產(chǎn)生700 mA的電流，這顯然不是期望的結(jié)果。但是，通過(guò)使開(kāi)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(dú)立于輸入和輸出電壓。

　　回掃轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)缺點(diǎn)是它易受輸出開(kāi)路狀態(tài)的影響。當(dāng)LED開(kāi)路時(shí)，存儲(chǔ)在電感內(nèi)的能量在每次開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的最后都會(huì)被轉(zhuǎn)移到輸出電容里。這樣，缺少電容放電的負(fù)載將導(dǎo)致電容兩端的電壓逐漸上升，最后超過(guò)器件的標(biāo)稱值并損壞功率級(jí)。因此，可通過(guò)增加額外電路來(lái)提供輸出電壓反饋及過(guò)壓保護(hù)。