高亮度LED的應用領(lǐng)域越來越廣。要使LED照明系統(tǒng)能夠提供期望的長壽命等優(yōu)勢，必須選擇恰當?shù)腖ED驅(qū)動方案。就LED建筑物及室內(nèi)照明應用而言，輸入電源通常是交流(AC)主電源。而景觀照明、低壓道路照明、太陽能供電照明等戶外照明應用，以及汽車照明、應急車輛照明、船舶應用及飛機內(nèi)部照明等應用，則可能采用離線交流適配器、密封鉛酸電池及12V直流(DC)和12V AC電源等輸入電源，電壓一般都低于40V。這些LED照明應用中，某些輸入電源的穩(wěn)壓精度較低，如汽車或太陽能供電、船舶應用中的鉛酸電池的電壓范圍可能在直流8至超過14V之間，汽車應用中電壓范圍甚至為更寬的7～27V。這就要求LED驅(qū)動器能夠在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，并能配置為不同拓撲結(jié)構(gòu)，配合負載要求。
典型DC/DC LED驅(qū)動方案比較
LED驅(qū)動方案的一項主要功能是在多種工作條件下穩(wěn)流，而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅(qū)動方案必須符合能效、外形因數(shù)、成本及安全性方面的應用要求。同時，所選方案必須易用及足夠強固，從而適應特定應用的嚴格環(huán)境。
典型DC/DC LED驅(qū)動方案包括電阻、恒流穩(wěn)流器(CCR)、線性驅(qū)動器及開關(guān)驅(qū)動器等。電阻是最簡單、最低成本的LED穩(wěn)流方案。但實際上它們并不“穩(wěn)流”，只是在LED正向電壓變化及輸入電源電壓變化并導致電流變化從而引起LED亮度變異時，簡單地限制LED最大電流。對于低電流指示器應用而言，這可能可以接受；但隨著電流增大及串聯(lián)的LED數(shù)量增加，就變得有問題了。要克服這個問題，需要費錢又費時地對LED進行編碼及選擇恰當?shù)碾娮鑱砥ヅ銵ED串正向電壓。即使采取這些步驟，仍然會有由輸入電壓變化導致的亮度變化問題。
CCR是一種比電阻方案性能更高但成本又低于線性驅(qū)動器或開關(guān)驅(qū)動器的方案，適合于電流小于200mA的低電流LED照明應用。CCR易于設計，能夠提供有效的穩(wěn)流及更多的特性。CCR的主要局限是輸入電壓必須始終高于輸出正向電壓以恰當工作，而且它們能效較低，熱耗散較高。
線性驅(qū)動器支持多條線路并行配置以擴散熱耗散，提供達±2%的穩(wěn)流精度，無電磁干擾(EMI)問題，成本中等，但能效也較低。
憑借高能效及靈活等優(yōu)勢，開關(guān)驅(qū)動器廣泛使用。這種方案成本更高，技術(shù)更復雜，但也提供顯著優(yōu)勢，如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系，且根據(jù)輸入/輸出條件，能效能夠高于90%。與線性驅(qū)動器不同，它們對EMI很敏感，給設計人員帶來需要注意的設計約束。對于中到大功率應用或涉及寬輸入電壓范圍的應用而言，開關(guān)穩(wěn)壓器是唯一可行的選擇；且許多應用中優(yōu)化了開關(guān)穩(wěn)壓器型LED驅(qū)動器，從而應用LED調(diào)光控制。
LED開關(guān)驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)
根據(jù)輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系，我們可將LED DC/DC開關(guān)驅(qū)動器/穩(wěn)壓器的拓撲結(jié)構(gòu)分為降壓、升壓及降壓-升壓等不同類型，并相應作簡要分析。
降壓：適合于所有工作條件下最小輸入電壓始終高于LED串最大電壓的應用(見圖1a)。例如，以12V電源驅(qū)動單顆功率為1W的LED時，使用這種拓撲結(jié)構(gòu)。
圖1 典型DC/DC LED開關(guān)驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)
這種拓撲結(jié)構(gòu)的原理是：開關(guān)導通時，輸入電壓通過電感向負載供電，同時也向輸出電容充電。這個過程中，電感及輸出電容儲存能量。開關(guān)關(guān)斷時，儲存在電感中的電流不能突變，電感通過自感產(chǎn)生右正、左負的脈沖電壓，這時電感、輸出電容及續(xù)流二極管構(gòu)成放電回路，回路電流繼續(xù)在電容兩端建立直流電壓，并由此直流電壓為負載供電。從能量關(guān)系可以看出，這種情況下輸出電壓始終低于輸入電壓，提供降壓效果。
升壓：適合于所有工作條件下最大輸入電壓始終低于LED串最小電壓時的應用。例如，以5V電源驅(qū)動6顆LED時，使用這種拓撲結(jié)構(gòu)(見圖1b)。
這種拓撲結(jié)構(gòu)的原理是：閉合導通時，通過電感的電流增加，在電感中積累能量；開關(guān)關(guān)斷時，電感電流通過二極管流向輸出電容。由于儲存來自電感的電流，多個開關(guān)周期后，輸出電容的電壓升高，結(jié)果輸出電壓就高于輸入電壓，從而提供升壓效果。
降壓-升壓，或單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)：適合于輸入電壓與輸出電壓有交迭的應用。如以12V汽車電池驅(qū)動4顆LED時，可使用這種拓撲結(jié)構(gòu)(見圖1c)。
這種拓撲結(jié)構(gòu)的原理非常簡單。開關(guān)處于導通狀態(tài)時，輸入電壓直接連接至電感，從而在電感中積聚能量。在這個階段，電容C為輸出負載提供能量。開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，電感通過續(xù)流二極管連接至輸出負載及電容，從而傳輸能量給負載。這是一種反向(inverting)輸出，負輸出連接至LED的陽極，而正輸出連接至LED的陰極。這種拓撲結(jié)構(gòu)可以提供眾多優(yōu)勢，如提供更高能效、更小外形因數(shù)及更低成本等。
不同拓撲結(jié)構(gòu)的LED DC/DC開關(guān)驅(qū)動器方案及其應用
1 降壓驅(qū)動器方案
典型LED DC/DC降壓應用有如在線槽燈、書架燈及展示柜燈等中使用的高亮度模塊化燈條，一般每條(11.5×1英寸)4顆LED，根據(jù)顏色的不同，光效為23～47lm/W，電壓為23～25V。
圖2 不同LED DC-DC降壓驅(qū)動器方案
根據(jù)頻率及電流的不同，這類應用中可以使用安森美半導體提供不同的LED DC-DC降壓驅(qū)動器方案，包括NCL30100控制器、CAT4201穩(wěn)壓器，以及能夠配置為降壓穩(wěn)壓器的NCP3065/NCV3065、NCP3066/NCV3066穩(wěn)壓器及控制器等(見圖2)。這些方案各有其特點。
在LED DC/DC降壓應用中，客戶可以根據(jù)應用需要，選擇控制器方案或是穩(wěn)壓器方案。例如，在MR16燈泡、12V景觀照明、太陽能供電LED照明、線性照明及廣告牌文字電路和標志背光等應用中，可以采用NCL30100控制器。這器件本身并未集成FET，但它支持使用高性價比的N溝道MOSFET作為外部元件，能夠調(diào)節(jié)電流，并以100%的占空比工作。但這器件電源電壓(VCC)能達18V，需要外部器件以支持較高電壓，且需要用于確定數(shù)量的LED設計。
圖3 NCL30100 LED降壓控制器基本應用電路圖
而在12V及24V照明系統(tǒng)、汽車及飛機照明和通用照明等應用中，可以采用CAT4201穩(wěn)壓器。這器件與NCL30100控制器不同，是集成了MOSFET的完整電源轉(zhuǎn)換器，采用小型TSOT5封裝，最高電壓36Vdc(可承受40V瞬態(tài)電壓)，能驅(qū)動總電壓達32V的7顆串聯(lián)LED，電源能效高達94%，提供限流及熱保護。但這器件在大多數(shù)應用中要求輸出電容，且LED輸出電流限流為最大350mA。
圖4 CAT4201 LED降壓驅(qū)動器典型應用電路圖
有些LED應用可能需要支持PWM調(diào)光。在這些應用中，可以采用NCP3065和NCP3066，以及相應通過汽車認證的版本NCV3065和NCV3066。NCP3065/6、NCV3065/6是靈活的開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠配置為降壓、升壓及降壓-升壓等不同結(jié)構(gòu)。配置為LED降壓驅(qū)動器時，能在不采用輸出大電容的條件下工作，支持+40V/1.5A典型峰值開關(guān)電流，可以設定350mA、700mA及1 000mA等輸出電流，還能配合調(diào)光需求。適合的應用包括汽車及船舶照明、大功率LED驅(qū)動器、恒流源、低壓LED照明(景觀、道路、太陽能及MR16替代)等。
2 升壓驅(qū)動器方案
如上所述，NCP3065/6、NCV3065/6能夠配置為不同結(jié)構(gòu)，圖5右顯示的是即是配置為升壓結(jié)構(gòu)的應用電路圖。
圖5 NCP3065典型LED降壓應用電路(左)及典型LED升壓應用電路(右)
此外，在需要高能效驅(qū)動長串高亮度LED的應用中，可以采用安森美半導體將推出專門用于高能效升壓模式的NCL30131 LED升壓驅(qū)動器。這是一款能夠采用N溝道FET的開關(guān)升壓控制器，能夠用于構(gòu)建高能效的LED升壓驅(qū)動器。這器件使用電壓模式PWM反饋機制，帶有運算跨導放大器(OTA)。這器件具有高驅(qū)動能力，能夠驅(qū)動大電流/高能效MOSFET。輸入電壓范圍極寬，介于4.5～28V之間。NCL30131提供300/600/1000kHz開關(guān)頻率，提供可編程限流、短路保護、熱關(guān)閉、過壓保護及欠壓鎖定等豐富的保護功能。
圖6 NCL30131高能效升壓LED驅(qū)動器典型電路圖
3升降壓驅(qū)動器方案
典型LED降壓-升壓應用包括以12V交流或12V直流電源驅(qū)動包含3～4顆LED的模塊。這種應用中就可以采用配置為降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)的NCP3065/6控制器，從而滿足輸入電壓與輸出電壓有交迭的應用需求。