LED驅動電源的拓撲結構電路

發布時間:2013-4-17 12:06    發布者:1770309616
關鍵詞: LED , 驅動電源 , 電源拓撲
  隨著 LED 的生產成本下降,其使用愈發普遍,所涵蓋的應用范圍從手持終端設備到車載,再到建筑照明。但驅動 LED 并非沒有挑戰,本文對 LED 特性及驅動 LED 時需要權衡的因素作了概述,并對適用于驅動 LED 和進行 LED 調光的各種開關電源拓撲進行了詳 盡的討論,此外還詳細說明了這些電源的相關優點。
  LED 的高可靠性(使用 壽命超過 50,000 個小時)、較高的效率(>120 流明/瓦)以及近乎瞬時的響應能力使其成為極具吸引力的光源。與白熾燈泡 200mS 的響應時間相比,LED 會在短短 5nS 響應時間內發光。因此,目前它們已在汽車行業的剎車燈中得到廣泛采用。
  驅動 LED
  驅動 LED 并非沒有挑戰?烧{的亮度需要用恒定電流來驅動 LED,并且無論輸入電壓如何都必須要保持該電流的恒定。這與僅僅將白熾燈泡連接到電池來為其供電相比更具有挑戰性。
  LED 具有類似于二極管的正向 V-I 特性。在低于 LED 開啟閾值(白光 LED 的開啟電壓閾值大約為 3.5V)時,通經該 LED 的電流非 常小。在高于該閾值時,電流會以正向電壓形式成指數倍遞增。這就允許將 LED 定型為帶有一個串聯電阻的電壓源,其中帶有一則 警示說明:本模型僅在單一的工作 DC 電流下才有效。如果 LED 中的 DC 電流發生改變,那么該模型的電阻也應隨即改變,以反映新 的工作電流。在大的正向電流下,LED 中的功率耗散會使設備發熱,此舉將改變正向壓降和動態阻抗。在確定 LED 阻抗時充分考慮散熱環境是非常重要的。
  當通過降壓穩壓器驅動 LED 時,LED 常常會根據所選的輸出濾波器排列來傳導電感的 AC 紋波電流和 DC 電流。這不僅會提高 LED 中電流的 RMS 振幅,而且還會增大其功耗。這樣就可提高結溫并對 LED 的使用壽命產生重要影響。
  如果我們設定一個 70%的光輸出限制作為 LED 的使用壽命,那么 LED 的壽命就會從 74 攝氏度度下的 15,000 小時延長到 63 攝氏度度下的 40,000 小時。LED 的功率損耗由 LED 電阻乘以 RMS 電流的平方再加上平均電流乘以正向壓降來確定。由于結溫可通過平均功耗來確定,因此即使是 較大的紋波電流對功耗產生的影響也不大。
  例如,在降壓轉換器中,等于 DC 輸出電流 (Ipk-pk = Iout) 的峰至峰紋波電流會增加不超 過 10% 的總功率損耗。如果遠遠超過上面的損耗水平,那么就需要降低來自電源的 AC 紋波電流以便使結溫和工作壽命保持不變。 一條非常有用的經驗法則是結溫每降低 10 攝氏度,半導體壽命就會提高兩倍。實際上,由于電感器的抑制作用,因此大多數設計就 趨向于更低的紋波電流。此外,LED 中的峰值電流不應超過廠商所規定的最大安全工作電流額定值。

  LED驅動電源的拓撲結構選擇分析
  采用AC-DC電源的LED照明應用中,電源轉換的構建模塊包括二極管、開關(FET)、電感及電容及電阻等分立元件用于執行各自功能,而脈寬調制(PWM)穩壓器用于控制電源轉換。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC電源轉換包含反激、正激及半橋等拓撲結構,參見圖3,其中反激拓撲結構是功率小于30 W的中低功率應用的標準選擇,而半橋結構則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結構中的變壓器而言,其尺寸的大小與開關頻率有關,且多數隔離型LED驅動器基本上采用“電子”變壓器。
圖1:LLC半橋諧振拓撲結構
  采用DC-DC電源的LED照明應用中,可以采用的LED驅動方式有電阻型、線性穩壓器及開關穩壓器等,基本的應用示意圖參見圖4。電阻型驅動方式中,調整與LED串聯的電流檢測電阻即可控制LED的正向電流,這種驅動方式易于設計、成本低,且沒有電磁兼容(EMC)問題,劣勢是依賴于電壓、需要篩選(binning) LED,且能效較低。線性穩壓器同樣易于設計且沒有EMC問題,還支持電流穩流及過流保護(fold back),且提供外部電流設定點,不足在于功率耗散問題,及輸入電壓要始終高于正向電壓,且能效不高。開關穩壓器通過PWM控制模塊不斷控制開關(FET)的開和關,進而控制電流的流動。
圖2:常見的DC-DC LED驅動方式

  開關穩壓器具有更高的能效,與電壓無關,且能控制亮度,不足則是成本相對較高,復雜度也更高,且存在電磁干擾(EMI)問題。LED DC-DC開關穩壓器常見的拓撲結構包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉換器(SEPIC)等不同類型。其中,所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED串最大電壓時采用降壓結構,如采用24 Vdc驅動6顆串聯的LED;與之相反,所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時采用升壓結構,如采用12 Vdc驅動6顆串聯的LED;而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC結構,如采用12 Vdc或12 Vac驅動4顆串聯的LED,但這種結構的成本及能效最不理想。
  采用交流電源直接驅動LED的方式近年來也獲得了一定的發展,其應用示意圖參見圖5。這種結構中,LED串以相反方向排列,工作在半周期,且LED在線路電壓大于正向電壓時才導通。這種結構具有其優勢,如避免AC-DC轉換所帶來的功率損耗等。但是,這種結構中LED在低頻開關,故人眼可能會察覺到閃爍現象。此外,在這種設計中還需要加入LED保護措施,使其免受線路浪涌或瞬態的影響。
圖3:直接采用交流驅動LED的示意圖
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