LED的高效驱动

中心论题：

• LED应用范围的日益扩大对其驱动电路有了更高的要求
• 波纹电流是影响LED性能的主要原因
• LED驱动电路的性能主要取决于开关稳压器和关闭控制环路的结构
  

解决方案：

• 根据输入电压和输出电压之间的关系采用不同的电路拓扑结构驱动LED
• 要根据输出滤波器的配置决定关闭环路的复杂性
• 通过电流波形的脉宽调制 (PWM)可以实现对LED的有效调光

引言
随着生产成本的降低，LED的应用范围越来越广，包括手持终端设备、车载以及建筑照明。高可靠性、极佳的效率以及瞬态响应能力使得它们成为很好的光源。尽管白炽灯泡的成本很低，但是多次更换白炽灯泡也将是一笔很大的开销。路灯就是个很好的例子，完成此项工作需要一组工作人员及一辆卡车对故障灯泡进行更换。因此，在此类应用中，使用 LED 可以大大降低成本。虽然 LED 和白炽灯泡的效率几乎相同，但在路灯应用中，有时会因为一些原因，用 LED 代替白炽灯泡，这样不但可以提高可靠性，而且还能节省能源。

白炽灯泡可以发出各种各样的光线，但是在具体的应用中，通常只需要绿色、红色以及黄色光线——例如交通信号灯。若要使用白炽灯泡，则需要一个滤波器，这会浪费掉 60% 的光能，而 LED 则可以直接产生所需颜色的光线，并且在上电时，LED 几乎是瞬间发光，而白炽灯则需要 200ms的响应时间。因此，在刹车灯设计中采用了 LED。另外，LED 将作为光源在 DLP 视频应用中使用，以替代机械汇编 (mechanical assembly)，其可进行高频率的切换。

LED的I-V 特性
图 1 显示了典型 InGaAlP LED(黄色和琥珀红)的正向电压特性。也可以把 LED 作为电压源与电阻串联建模，并查看模型与实际测量之间的良好关联性。电压源有一个负的温度系数，当结温上升时，电压源的正向电压会发生负的变化。InGaAlP LED的系数在-3.0mV/K~-5.2mV/K 之间，而 InGaN LED(蓝色、绿色和白色)的系数则在-3.6mV/K~-5.2mV/K 之间。这就是为什么不能直接对 LED 进行并联的原因。产生热量最多的器件需要更大的电流，更大的电流会产生更多的热量，进而引起散热失控。

图1 LED作为电阻与电压源串联建模

图2显示了作为工作电流函数的相对光输出(光通量)。很明显，光输出与二极管电流是密切相关的，因此，可以通过改变正向电流进行调光。并且，在电流较小时，曲线几乎是一条直线，但是在电流增大时，其斜率变小了。这就是说，在电流较低的时候，若将二极管电流增大一倍，则光输出也会增加一倍;但是电流较高的时候，情况就不是这样了：电流上升 100% 仅能使光输出量增加 80%。这一点很重要，因为 LED 是由开关电源驱动的，这会导致在 LED 中产生相当大的纹波电流。实际上，电源的成本在某种程度上是由所允许的电流大小决定的，纹波电流越大，电源成本就越低，但光输出会因此受到影响。

图2 电流超过 1A以上，LED效率就会降低

图3量化显示了叠加于 DC 输出电流之上的三角纹波电流所引起的光输出的减少。在绝大多数情况下，该纹波电流的频率高于肉眼可以看到的 80Hz。并且，肉眼对光线的响应是指数式的，不能察觉出小于 20% 的光线减弱。因此，即使 LED 中出现相当大的纹波电流，也不会察觉出光输出的减少。

图3 纹波电流对LED光输出的轻微影响

纹波电流也通过提高功耗而影响 LED 性能，这可能导致结温升高，并对 LED 的使用寿命产生重大影响。

图4 量化显示了由于纹波电流造成的LED功耗的升高。与LED的散热时间常量相比，由于纹波频率较高，因此，高纹波电流(以及高峰值功耗)不会影响峰值结温，它是由平均功耗确定的。LED的高压降如一个电压源，因此，电流波形对功耗没有影响。不过，压降有一个电阻分量，并且功耗由电阻乘以均方根 (RMS)电流的平方确定。

图4 纹波电流增加了LED的功耗

图4 也阐明了即使在纹波电流较大的时候，对功耗也没有重大影响。例如，50%的纹波电流仅增加不足5%的功率损耗。当大大超过此水平时，需要减小电源的DC电流以保持结温不变，从而维持半导体的使用寿命。经验法则显示，结温每降低10%，半导体使用寿命就会延长两倍。并且，许多设计都倾向于更小的纹波电流，这是因为电感器的限制。绝大多数电感的设计处理能力小于20%的Ipk/Iout纹波电流比率。

典型应用
LED 中的电流在很多情况下都是由镇流电阻或线性稳压器控制的。不过，本文主要讲述的是开关稳压器。在驱动 LED 时常用的三种基本电路拓扑为：降压拓扑结构、升压拓扑结构以及降压/升压拓扑结构。采用何种拓扑结构取决于输入电压和输出电压的关系。

在输出电压始终小于输入电压的情况下，应使用降压稳压器，图5显示了该拓扑结构。在该电路中，对电源开关的占空比 (duty factor) 进行了控制，以在输出滤波器电感 L1 上确立平均电压。当FET开关闭合时(TPS5430 内部)，其将输入电压连接到电感器，并在L1中构建电流。D2为环流二极管 (catch diode)，可提供开关断开时的电流路径。电感器可对流过LED的电流起到平滑的作用，该工作可通过用电阻监控(测量)LED电流，并将电压与控制芯片内部的参考电压进行比较，最终进行调节。如果电流太低，则占空比增加，平均电压也上升，从而也导致了电流的升高。该电路具有极佳的效率，因为电源开关、环流二极管以及电流感测电阻上的压降非常低。

图5 降压LED驱动器逐步降低输入电压

当输出电压总是比输入电压大时，最好采用升压转换电路，如图6所示。该电路的U1有一个带有控制电子器件的高度集成的电源开关。当开关闭合时，电流流过电感器到接地。当开关断开时，U1的引脚 1 电压会升高，直到D1导通。然后电感器放电，电流进入输出电容器(C3)和LED串。在绝大多数应用中，C3通常用于平滑LED电流。如果没有C3，则 LED电流将是断断续续的。也就是说，它会在零和电感电流之间切换，这会导致 LED 热量增加(从而缩短使用寿命)，亮度减少。在前面的例子中，LED 的电流是通过一个电阻感测的，并且占空比会发生相应的变化。请注意，本拓扑存在一个严重的问题，即它没有短路保护电路。若输出短路，则会有较大的电流通过电感器和二极管，从而导致电路失效，或者输入电压崩溃。

图6 高度集成的升压LED驱动器逐步升高输入电压

许多时候输入电压范围变化很大，可以高于或低于输出电压，此时降压拓扑和升压拓扑结构就不起作用了。并且，可能在升压应用中需要短路保护。在这些情况下，就需要使用降压/升压拓扑结构(见图7)。当电源开关闭合、电感器有电流通过时，该电路就相当于升压电路;当电源开关断开时，电感器开始放电，电流进入输出电容和 LED。不过，输出电压不是正的，而是负的。此外，请注意本拓扑中不存在升压转换电路中出现的短路问题，因为其通过使电源开关Q1开路，提供了短路保护功能。该电路的另一个特性是，虽然它是一个负的输出，但并不需要对传感电路的电平进行切换。在本设计中，控制芯片接地到负的输出，并且可直接测量电流感测电阻R100上的电压。尽管本例中仅显示了一个LED，但是通过串联可以连接许多LED。电压的上限是控制芯片的最大额定电压;输入电压加上输出电压的和不能超过该限值。

图7 降压/升压电流可限制和处理广泛的输入范围

关闭控制环路
关闭 LED 电源上的电流环路比关闭传统电源上的电压环路简单。环路的复杂性取决于输出滤波器的配置。图8显示了三种可能的配置：只有一个简单电感器的滤波器(A);一个典型的电源滤波器(B);以及一个修正后的滤波器(C)。

图8 电位输出滤波器设置

为每一个功率级都构建一个简单的P-Spice模型，以阐明每一功率级控制特性的区别。降压功率FET和二极管的切换建模为电压控制的电压源，增益为10dB，而LED则建模为与6V电压源串联的3W电阻。在LED和接地之间添加了一个1W的电阻，用于对电流进行感测。在电路A中，该响应来自稳定的一阶系统。DC增益由电压控制的电压源确定，LED电阻和电流感测电阻构成了分压器，系统的极性由输出电感和电路电阻决定，补偿电路则由类型2放大器构成。电路 B 由于增加了输出电容，因此有二阶响应。若 LED 的纹波电流过大并达到难以接受的程度，则可能要求该输出电容工作，这是由于 EMI 或热量等问题的出现造成的。DC 增益与第一个电路一样。不过，在输出电感和电容确定的频率处有一对复极点。

滤波器的总相移为180.若没有很好地设计补偿电流，可能会导致系统不稳定。补偿电流的设计与传统电压模式电源类似，传统电压模式电源要求有一个类型3的放大器。与电路 A 相比，补偿电路增加了两个组件以及一个输出电容。在电路 3 中对输出电容进行重定位，以便更容易对电路进行补偿。LED 的纹波电压与电路 B 类似，所不同的是，电感的纹波电流流过电流感测电阻 R105。因此，在计算功耗时也要考虑到这一部分。该电路有一个零点，一对极点，并且其补偿设计与电路 A 一样简单，DC 增益也与前两个电路相同。该电路的电容和 LED 串联电阻引入了一个零点，并拥有两个极点，一个由输出电容和电流感测电阻确定;另一个则由电流感测电阻和输出电感确定。在高频率时，其响应与电路 A 一样。

调光
通常需要对 LED 进行调光。例如，需要调节显示器或建筑照明的亮度。实现上述目标有两种方法：降低 LED 的电流，或快速对 LED 进行开关操作。更有效率的方法是降低电流，因为光输出并不完全与电流呈线性关系，并且，LED 的色谱在电流小于额定值时会发生变化。人们对亮度的感知是指数型的，因此，调光可能需要对电流进行很大更改，这会对电路设计造成很大的影响。考虑到电路的容差，满电流值工作时，3%的调节误差可以造成10%负载时的30%或更高的误差。通过电流波形的脉宽调制 (PWM) 进行调光更为准确，尽管这种方法存在响应速度问题。在照明和显示器应用上，PWM频率高于 100Hz，以使肉眼感觉不到闪烁。10% 的脉冲宽度在ms量级内，并要求电源的带宽大于 10kHz，此项工作可以通过图8(A 与 C)中简单的环路完成。图9为带 PWM 调光功能的降压功率级电路。在本例中，LED 轻松地闭合/断开电路。通过这种方式，控制环路总是处于激活状态，并实现了极快的瞬态响应。

图9 Q1 用于PWM LED电流

结语
虽然 LED 的应用日益流行，但还有许多电源管理问题亟待解决。在需要高度可靠性和安全性的车载市场上，LED 器件得到了广泛的应用。车载电气系统对电源质量要求很高，因此，必须设计保护电路，以避免在电压超过 60V 时出现“抛负载”现象。建筑 LED 的电源设计问题也很多，需要进行功率因数矫正，以及对电流和亮度的控制。另外，LED 正被集成于投影和电视等产品中，此类产品要求快速的响应、良好的电流控制，以及完美的开关控制，这些都给设计人员提出了新的挑战。