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(chēng)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(lèi)似，它們也是單向?qū)щ?盡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(lèi)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(lèi)：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(chēng)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(chēng)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)。
輸出電壓反饋
圖4是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)和LED開(kāi)路保護(hù)的額外電路。實(shí)際上，很多峰值電流模式控制器IC都具有專(zhuān)用的RT引腳。與該引腳相連的電阻可用來(lái)設(shè) 置內(nèi)部電流，其內(nèi)部電流用來(lái)給振蕩器電容(可以是內(nèi)部或外部)充電。振蕩器電容上的斜坡電壓控制開(kāi)關(guān)頻率，這樣，開(kāi)關(guān)頻率與RT引腳的輸出電流成正比。電 阻越小(大)，電流就越大(小)，開(kāi)關(guān)頻率也就越高(低)。基于這一原理，可利用輸出電壓反饋來(lái)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率。
在圖4所示電路中，電阻R3和R4構(gòu)成一個(gè)分壓器。R4上的電壓減去晶體管Q2基極和發(fā)射極之間的壓降(Vbe)就是R5上的電壓。因此，流經(jīng)R5的電流(IR5)為：
該電流是利用匹配的晶體管對(duì)從控制IC的引腳RT獲得的。
圖4中的電阻R2用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器。在啟動(dòng)狀態(tài)下，輸出電壓為零，因而IR5也為零。由于沒(méi)有來(lái)自控制器RT引腳的電流，所以轉(zhuǎn)換器無(wú)法啟動(dòng)。增加電阻R2可以在啟動(dòng)狀態(tài)下獲得一小部分電流，并使R2的大小滿足：
IR5>>V(RT)／R2
其中V(RT)是控制器RT引腳上的電壓。滿足該條件可確保轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)，并將R2帶來(lái)的誤差降至最低。如選R3=R4，則有：
IR5>>VO/2R5
這里假定輸出電壓比Q2的基極-發(fā)射極壓降大得多。
這樣，根據(jù)以上各公式便可以得到輸出LED電流為：
iLED=KICLi2pk／(2×2R5)
這樣，LED電流將不再?zèng)Q定于輸入或輸出電壓。采用電阻R6、晶體管Q3和齊納二極管D2可增加過(guò)壓保護(hù)功能。在LED開(kāi)路狀態(tài)下，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通 時(shí)，電感存儲(chǔ)能量，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，該能量轉(zhuǎn)移到輸出電容上。因?yàn)闆](méi)有足夠的負(fù)載供電容放電，輸出電壓在每個(gè)周期都會(huì)逐漸升高。當(dāng)電壓升高到超過(guò)齊納二極管 的導(dǎo)通電壓時(shí)，由D2和R6組成的齊納二極管分支電路開(kāi)始導(dǎo)通。這也提供了一條通過(guò)Q3基極電流的路徑，使Q3導(dǎo)通。此時(shí)，電阻R4實(shí)際上被短路。因此， Q2的基極發(fā)射極的PN結(jié)將關(guān)閉，導(dǎo)致R5上的電流為零。這將停止控制器的內(nèi)部振蕩直到輸出電壓降到齊納二極管電壓以下，以上過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行。這種猝發(fā)模式 可將LED開(kāi)路狀態(tài)下的平均功率降至最小。這種過(guò)壓保護(hù)方法將強(qiáng)制控制IC進(jìn)入低頻、低功率的工作模式。
齊納二極管電阻分支電路上的電流必須能在R6上產(chǎn)生足夠大的電壓，以便為晶體管基極-發(fā)射極之間的PN結(jié)提供偏置。
結(jié)束語(yǔ)
在帶有輸出電流反饋的開(kāi)關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器中，一般還需要反饋補(bǔ)償來(lái)穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器，并調(diào)節(jié)電流以達(dá)到期望的電流值。這些反饋方案的瞬態(tài)響應(yīng)性能是有限 的，無(wú)法滿足LED的PWM亮度調(diào)節(jié)所需要的快速開(kāi)／關(guān)瞬態(tài)響應(yīng)。然而，本文所描述的轉(zhuǎn)換器并不要求任何反饋補(bǔ)償。該控制方案所用的唯一反饋信息是通過(guò)傳 感電阻獲得流經(jīng)MOSFET的峰值電流。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器在每個(gè)周期都存儲(chǔ)所需的能量，所以它可以對(duì)瞬態(tài)做出即時(shí)響應(yīng)。因此它可以很方便地與PWM亮度調(diào)節(jié)方案 一起工作。
升降壓轉(zhuǎn)換器是低直流電壓輸入LED驅(qū)動(dòng)器的有效解決方案，無(wú)論輸出電壓高于還是低于輸入電壓，它都可以驅(qū)動(dòng)LED串。此外，還可在轉(zhuǎn)換器中增 加小型而低廉的額外電路以克服負(fù)載調(diào)節(jié)和無(wú)負(fù)載狀態(tài)下的問(wèn)題。該轉(zhuǎn)換器易于實(shí)現(xiàn)，且在峰值電流模式控制時(shí)無(wú)需進(jìn)行反饋補(bǔ)償沒(méi)計(jì)。它所具有的開(kāi)環(huán)特性也使之 成為那些需要PWM亮度調(diào)節(jié)的應(yīng)用中的理想選擇。