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隨著LED生產成本的降低，其應用范圍越來越廣，其中包括手持終端設備、車載以及建筑照明。LED 的高可靠性、極佳的效率以及瞬態響應能力使得它們成為頗具吸引力的光源。盡管白熾燈泡的成本非常低，但是多次更換白熾燈泡也將是一筆很大的開銷，更換路燈就是個很好的例子。因此，在此類應用中，使用 LED 可以大大降低成本。雖然LED和白熾燈泡的效率幾乎相同，但由于上述一些原因，在路燈中將用LED代替白熾燈泡，這樣不但可以提高可靠性，而且還能節省能源。 白熾燈泡可以發出各種各樣的光線，但是通常只需要綠色、紅色及黃色光線，如交通信號燈。若要使用白熾燈泡，則需使用一個濾波器，這會浪費掉 60%的光能，而LED則可以直接產生所需顏色的光線，并且在上電時，LED幾乎是瞬間發光，而白熾燈則需要200ms的響應時間。因此，汽車行業在剎車燈設計中采用了LED。另外，LED將作為DLP視頻應用中的光源，從而以快速開關的LED替代了機械組合。 LED I-V特性 圖1顯示了典型InGaAlP LED的正向電壓特征。也可以把LED作為電壓源與電阻串聯建模，并查看模型與實際測量之間的密切關聯性。電壓源擁有一個負的溫度系數，當結溫上升時，電壓源的正向電壓會降低。InGaAlP LED（黃色和琥珀紅）的系數在-3.0～-5.2mV/K之間，而InGaN LED（藍色、綠色及白色）的系數則在-3.6～-5.2mV/K之間。這就是為什么不能直接對LED進行并聯的一個原因。產生熱量最多的器件往往需要更大的電流，更大的電流會產生更多的熱量，進而引起散熱失控。 圖2 電流超過1A以上，LED效率就會降低 圖2顯示了作為工作電流函數的相對光輸出（光通量）。很明顯，光輸出與二極管電流是密切相關的，因此可以通過改變正向電流進行調光。并且，在電流較小時，曲線幾乎是一條直線，但是在電流增大時，其斜率變小了。這就是說，在電流較低時，若將二極管電流增大一倍，則光輸出也會增加一倍；但是電流較高時，情況就截然不同了：電流上升100%僅能使光輸出量增加80%。這一點很重要，因為LED是由開關電源驅動的，這會導致在LED中產生相當大的紋波電流。實際上，電源的成本在某種程度上是由所允許的電流大小決定的，紋波電流越大，電源成本就越低，但光輸出會因此受到影響。 圖3 紋波電流對LED光輸出的輕微影響 圖3量化顯示了疊加于直流輸出電流之上的三角紋波電流所引起的光輸出減少。在絕大多數情況下，該紋波電流的頻率高于肉眼可以看到的 80Hz。并且，肉眼對光線的響應是指數式的，不能察覺出小于20%的光線減弱。因此，即使LED中出現相當大的紋波電流，也不會察覺出光輸出的減少。 圖4 高結溫會縮短LED的使用壽命 此外，紋波電流還通過提高功耗而影響LED性能，這可能導致結溫升高，而且對LED的使用壽命有重大影響。如圖4所示，LED的相對光輸出是時間和結溫的函數。如果確立了LED的光輸出為額定的80%，則LED的使用壽命將從74℃時的10 000小時延長到63℃時的25 000小時。 圖5 紋波電流增加了LED的功耗 圖5量化顯示了由于紋波電流造成的 LED 功耗的增加。與LED的散熱時間常量相比，由于紋波頻率較高，因此高紋波電流（以及高峰值功耗）不會影響峰值結溫。LED的大部分壓降就像一個電壓源，因此電流波形對功耗沒有影響。然而，壓降有一個電阻分量，并且功耗由該電阻乘以均方根(RMS)電流的平方決定。 圖5還闡明即使是在紋波電流較大時，對功耗也沒有重大影響。例如，50%的紋波電流僅增加不到5%的功率損耗。當大大超過此水平時，需要減小電源的直流電流以保持結溫不變，從而維持半導體的使用壽命。根據經驗，結溫每降低10℃，半導體的使用壽命就會延長2倍。并且，由于電感的限制，許多的設計都傾向于更小的紋波電流。絕大多數電感的設計旨在處理小于20%的Ipk/Iout紋波電流比率。 典型應用 LED中的電流在很多情況下都是由鎮流電阻或線性穩壓器進行控制的。但是，本文中主要講述的是開關穩壓器。在驅動 LED 時常用的三種基本的電路拓撲為降壓拓撲、升壓拓撲及降壓-升壓拓撲。采用何種拓撲結構取決于輸入電壓和輸出電壓的關系。 圖6 降壓 LED 驅動器逐步降低輸入電壓 在輸出電壓始終小于輸入電壓的情況下，應使用降壓穩壓器，圖6顯示了該拓撲結構。在該電路中，對電源開關的占空比(duty factor)進行了控制，以在輸出濾波器電感L1上確立平均電壓。當FET開關閉合時（TPS5430內部），其將輸入電壓連接到電感，并在L1中形成電流。環流二極管v2提供了開關斷開時的電流路徑。電感可對流經LED的電流起到平滑的作用，通過用電阻監控（測量）LED電流，并將該電壓與控制IC內部的參考電壓進行比較，從而最終實現對流經LED的電流調節。如果電流太低，則占空比增加，平均電壓也上升，從而導致了電流的升高。由于電源開關、環流二極管以及電流檢測電阻上的壓降非常低，該電路可提供極佳的效率。 圖7 高度集成的升壓LED驅動器逐步升高輸入電壓 圖8 降壓-升壓電流可限制和處理廣泛的輸入范圍 當輸出電壓總是比輸入電壓大時，最好是采用如圖7所示的升壓轉換電路。該電路的U1中也有一個帶有控制電子器件的高度集成電源開關。當開關閉合時，電流流經電感到接地。當開關斷開時，U1引腳1上的電壓會不斷升高，直到v1導通，然后電感放電，電流進入輸出電容器(C3)和LED串。在大多數應用中，C3通常用于平滑LED電流。如果沒有C3，則LED 電流將是斷斷續續的。也就是說，它會在零和電感電流之間切換，這會導致LED熱量增加（從而縮短使用壽命），并且亮度減少。在前面的例子中，LED的電流是通過一個電阻檢測的，并且占空比會發生相應地變化。請注意本拓撲存在一個嚴重的問題，即它沒有短路保護電路。若輸出短路，則會有較大的電流通過電感器和二極管，從而導致電路故障，或者輸入電壓崩潰。 很多時候輸入電壓范圍變化很大，其可以高于或低于輸出電壓，此時降壓拓撲和升壓拓撲結構就不起作用了。并且，可能在升壓應用中需要短路保護。在這些情況下，就需要使用降壓-升壓拓撲結構（見圖8）。當電源開關閉合、電感有電流通過時該電路就相當于升壓電路；當電源開關斷開時，電感開始放電，電流進入輸出電容和LED。不過，輸出電壓不是正的，而是負的。此外，請注意本拓撲中不存在像升壓轉換轉中出現的短路問題，因為電源開關Q1開路能提供短路保護功能。該電路的另一個值得注意的特性是，雖然其是一個負的輸出，但并不需要對傳感電路的電平進行轉換。在本設計中，控制IC接地到負的輸出，并且可直接測量電流檢測電阻R100上的電壓。盡管本例中僅顯示了一個LED，但是通過串聯可以連接許多 LED。電壓的上限是控制IC的最大額定電壓，輸入電壓加上輸出電壓的和不能超過該限值。 圖9 電位輸出濾波器結構 關閉環控制電路 關閉LED電源上的電流環路比關閉傳統電源上的電壓環路要簡單得多。環路的復雜性取決于輸出濾波器結構。圖9顯示了三種可能的結構：只有一個電感的簡單濾波器(A)；典型的電源濾波器(B)；以及改良的濾波器(C)。 為每一個功率級都構建一個簡單的P-Spice模型，以闡明每一功率級控制特性的區別。降壓功率 FET 和二極管的開關動作建模為壓控電壓源，增益為10，而LED則建模為與6V電壓源串聯的3Ω的電阻。在LED和接地之間添加了一個1Ω的電阻，用于對電流進行檢測。在電路A中，該響應就是穩定的一階系統的響應。直流增益由壓控電壓源（LED電阻和電流檢測電阻構成的分壓器）確定，系統的極性由輸出電感和電路電阻決定。電路B由于增加了輸出電容，因此有二階響應。若LED的紋波電流過大并達到難以接受的程度，則可能需要該輸出電容，這是由于EMI或熱量等問題的出現造成的。直流增益與第一個電路一樣。不過，在輸出電感和電容確定的頻率處有一對復極點。 圖10 Q1用于對LED電流進行脈寬調制 濾波器的總相移為180°。若沒有很好地設計補償電路，可能會導致系統不穩定。與電路A相比，該補償電路增加了兩個組件以及一個輸出電容。在電路C中，我們對輸出電容進行了重定位，以便更容易對電路進行補償。LED的紋波電壓與電路B類似，所不同的是電感的紋波電流流過電流檢測電阻 R105，因此在計算功耗時也要考慮到這一部分功耗。該電路有一個零點、一對極點，并且其補償設計與電路A差不多簡單，直流增益也與前兩個電路相同。在高頻率時，其響應與電路A一樣。 調光 通常，我們需要對LED進行調光。例如，需要調低顯示器或建筑照明的亮度。實現上述目標有兩種方法：降低LED的電流，或快速地開關 LED。效率最低的方法是降低電流，因為光輸出并不完全與電流呈線性，并且LED的色譜往往是在電流小于額定值時才會發生變化。請不要忘記，人們對亮度的感知是指數式的，因此調光可能需要電流進行很大變化，這對電路設計會造成很大影響。考慮到電路的容差，滿負載電流值工作時，3%的調節誤差可以造成10% 負載時的30%或更高的誤差。通過電流波形的脈寬調制(PWM)進行調光更為準確，盡管這種方法存在響應速度問題。在照明和顯示器應用上，PWM需要高于 100Hz的頻率，以使肉眼感覺不到閃爍。10%的脈沖寬度在ms范圍內，并要求電源的帶寬大于10kHz，此項工作可以通過圖9（A與C）中簡單的環路輕松地完成。圖10闡明了帶PWM調光功能的降壓功率級電路。在本例中，LED輕松地閉合/斷開電路。通過這種方式，控制環路總是處于激活狀態，并實現了極快的瞬態響應（見圖11）。 結論 雖然LED的應用日益盛行，但仍有許多電源管理問題亟待解決。在需要高度可靠性和安全性的汽車市場上，LED器件得到了廣泛的應用。車載電氣系統對電源質量要求很高，因此，必須設計保護電路避免在電壓超過60V時出現“拋負載”現象。建筑照明LED的電源設計問題也很多，由于其經常是離線式運行，因此需要進行功率因數校正，以及對電流和亮度的控制。另外，LED正被廣泛地整合到投影和電視等產品中，此類產品要求快速的響應、控制良好的電流，以及完美的開關控制，這些都給設計人員提出了新的挑戰。 |
