第三講 利用降壓結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動
發(fā)布時間:2009-08-10 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)
基于降壓的結(jié)構(gòu)可以與很多環(huán)路控制結(jié)構(gòu)很好的匹配,而且不用考慮穩(wěn)定性的限制,滯回控制適合在開關(guān)頻率變化比較快和輸入范圍比較小的情況下應(yīng)用。這種特性剛好滿足LED對電源的要求。
隨著LED的廣泛應(yīng)用,在很多地方線性電源這種簡單的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足需求。一般情況下,當(dāng)用電阻的方式設(shè)定LED所需的正向電流的時候,這種簡單的驅(qū)動方式可以連續(xù)的由電源向負(fù)載提供能量。
由于LED的電流與電阻上的相同,所以電阻上產(chǎn)生的功耗會隨輸入電壓的增加而增加。例如,一個用線性電源驅(qū)動的LED,效率為70%,用5V線性電源提供1A電流給一個典型的白光InGaNLED(VF=3.5V)。在相同的工作條件下,當(dāng)輸入電壓上升到12V時,它的效率將會降到30%。在如此低效率的情況下是無法應(yīng)用的。
開關(guān)電源
開關(guān)電源改善了由于輸入變化使得效率變化比較大的問題。這種方式是通過控制占空比的方式來滿足輸出所需要的電壓或電流。由于開關(guān)電源會產(chǎn)生脈沖式的電壓和電流,所以這就需要用一些儲能器件(電感或電容)對這些脈沖波形進(jìn)行整形。
和線性電源相反,開關(guān)電源可以通過不同的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)電流或電壓的降、升或者同時升降的功能。開關(guān)電源同樣可以在寬的輸入或輸出范圍下實(shí)現(xiàn)高效率。在前面的例子中,用一個降壓型的開關(guān)電源取代線性電源后,當(dāng)輸入電壓由5V變到12V后,電路的效率由95%變到98%。
開關(guān)電源在效率和結(jié)構(gòu)的靈活性上得到了很大的提升,但由于周期性的開關(guān)造成了噪聲的增加,同時由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜使得電路的可靠性下降和成本的上升。恒流型LED電路可以被簡單的認(rèn)為是一個恒流源。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)該考慮最少的外部原件和最好的性能為標(biāo)準(zhǔn),這樣可以提高電路的穩(wěn)定性和減少成本。
鑒于LED的動態(tài)調(diào)光特性好,在設(shè)計(jì)的時候要考慮使這種特性能夠方便應(yīng)用。幸運(yùn)的是,基本降壓開關(guān)電路在實(shí)現(xiàn)這些特性的時候表現(xiàn)的非常好,所以LED驅(qū)動一般選擇降壓型開關(guān)電源。
恒流輸出級
圖1a:基本降壓型電壓調(diào)整器。
開關(guān)調(diào)整器最常用的是電壓調(diào)整器。圖1a為一種基本恒壓型降壓調(diào)整器。降壓控制器可以在輸入電壓變化的情況下,通過控制占空比或頻率的變化使輸出電壓保持恒定。輸出所需的電壓由下面的公式計(jì)算得到(Eq.1)
式1
電感L用來設(shè)置電感電流紋波的峰-峰值ΔIpp的大小,電容Co用來設(shè)置輸出電壓紋波和輸出電壓的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。在這種降壓型逆變器中電感的平均電流等于負(fù)載電流,因此我們可以通過控制電感電流紋波的峰-峰值來控制負(fù)載電流。這樣可以使電壓源控制的方式轉(zhuǎn)換成電流源控制的方式。
圖1b:基本電流型降壓調(diào)整器。
圖1b為一種基本電流型降壓調(diào)整器。與恒壓型相似,恒流型降壓調(diào)整器可以在輸入電壓變化的情況下,通過控制占空比或頻率的變化使輸出電流IF保持恒定。輸出所需的電流由下面的公式計(jì)算得到(Eq.2):
式2
在我們設(shè)定好LED電流IF之后,我們必須準(zhǔn)確的檢測電感上的電流。從理論上來說,檢測電感電流有很多方式,例如利用MOSFET的導(dǎo)通阻抗Rdson檢測或者用電感的直流電阻檢測。但是實(shí)際上這些檢測方式在精度上不能滿足LED電流設(shè)置的要求(高亮度LED的精度為5%-15%)。
如果直接用電阻RFB來檢測IF,這樣在精度上就可以滿足要求,但是在電阻上將會產(chǎn)生額外的功耗。降低反饋電壓VFB,在同樣的檢測電流IF(圖.2)的情況下可以降低檢測電阻的阻值,這樣就可以使功耗降到最低。最新的LED驅(qū)動大多數(shù)提供的參考電壓(反饋電壓)在50-200毫伏之間。
恒流降壓調(diào)整器獨(dú)特之處在于輸出可以不需要電容。因?yàn)橛羞B續(xù)的輸出電流和不存在負(fù)載瞬態(tài)變化,這個調(diào)整器中輸出電容的作用只是局限于電流濾波器。當(dāng)我們設(shè)置成沒有電容的恒流型降壓調(diào)整器時,此時輸出阻抗將大幅增加,而對于升壓型來說,由于輸出阻抗增加,為了滿足輸出電流恒定,輸出電壓也將會大幅增加。
結(jié)果調(diào)光的速度和調(diào)光的范圍都有了顯著的提高。在應(yīng)用過程中,從背光和機(jī)器視覺角度來說調(diào)光的范圍是一種非常有價(jià)值的特性。[page]
在另一方面,由于輸出電容不足,AC電流的紋波電路需要比較大的電感,以滿足LED紋波的要求(正向電流ΔIF=±5到20%)。在同樣的電流紋波時,大電感會增加面積和LED驅(qū)動的成本。因此在恒流降壓電路中,輸出電容的使用要在成本、面積和調(diào)光的速度、范圍之間經(jīng)行權(quán)衡。
例如,用紋波電流驅(qū)動一個1A的白光LED(VF≈3.5V),ΔIF需要滿足±5%范圍內(nèi),輸入電壓12V,頻率為500kHz,在電感電流幅度為1.1A時,只能允許使用50mH的電感。然而如果電感的紋波電流允許增加±30%,那么電感將會小于10mH。
如果10mH和50mH電感在使用相同的材料和相同的額定電流的情況下,在成本和體積方面,10mH大概只是50mH的一半。為了用10mH電感實(shí)現(xiàn)需求的ΔIF(±5%),輸出電容需要根據(jù)LED的動態(tài)電阻rD和檢測電阻RFB和在此開關(guān)頻率下電容的阻抗來計(jì)算,可以利用下面的表達(dá)式(Eq.3)
式3
式4
環(huán)路控制結(jié)構(gòu)
基于降壓的結(jié)構(gòu)可以與很多環(huán)路控制結(jié)構(gòu)很好的匹配,而且不用考慮穩(wěn)定性的限制,例如右半平面零點(diǎn)問題。除了和其他調(diào)光方法兼容以外,這種降壓結(jié)構(gòu)使得PWM調(diào)光變得容易。基于這種結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更多的選擇。滯回控制非常適合在開關(guān)頻率變化比較快和輸入范圍比較小的情況下應(yīng)用,例如燈泡和交通燈。
由于滯回控制不用考慮穩(wěn)定性限制,所以不需要考慮環(huán)路補(bǔ)償。不像環(huán)路控制那樣受帶寬限制。利用滯回控制驅(qū)動降壓LED驅(qū)動(圖.2a)使設(shè)計(jì)變得簡單,也減少了器件數(shù)量和成本。這種結(jié)構(gòu)也使PWM調(diào)光的范圍比其他結(jié)構(gòu)好。利用滯回控制的LED驅(qū)動非常適合在要求調(diào)光范圍非常大和調(diào)光頻率比較高以及開關(guān)頻率變化非常大的情況下應(yīng)用。
圖2a:基本的滯回控制降壓驅(qū)動。
類似的滯回降壓LED驅(qū)動可以在固定頻率操作和不需要開關(guān)頻率變化的滯回控制之間提供了一個比較好的折中方案??刂崎_啟時間的降壓LED驅(qū)動(圖2b)使用了一個滯回比較器和開啟時間控制器。讓開啟時間與輸入電壓成反比,這樣可以讓開關(guān)頻率的變化減少的最小。運(yùn)用這種結(jié)構(gòu)同樣可以避免環(huán)路控制的帶寬限制。運(yùn)用不同的調(diào)光結(jié)構(gòu)可以讓調(diào)光范圍變得非常寬。
圖2b:開啟時間控制的降壓LED驅(qū)動。
在一些情況下,例如許多自動控制應(yīng)用中,LED驅(qū)動與外部時鐘或與驅(qū)動之間進(jìn)行同步時要求減少噪音的干擾。在沒有時鐘的滯回控制和準(zhǔn)滯回控制的結(jié)構(gòu)在執(zhí)行同步頻率時會帶來困難。相比來說,這個問題對于由時鐘控制的調(diào)整器來說就比較容易實(shí)現(xiàn),例如圖2c中固定頻率的降壓LED驅(qū)動。固定頻率控制可以解決這個復(fù)雜的問題,但是由于它動態(tài)響應(yīng)的限制也影響了調(diào)光的范圍。
圖2c:基本的固定頻率的降壓LED驅(qū)動。
總之,降壓LED驅(qū)動的很多特點(diǎn)使其變得很有吸引力。它可以很容易設(shè)置成電流源,也可以實(shí)現(xiàn)最少的外圍元器件,器件少可以使得設(shè)計(jì)變得簡單,提高驅(qū)動的穩(wěn)定性,也可以減少成本。降壓結(jié)構(gòu)的LED適合很多種控制方式使其應(yīng)用的靈活性比較高。
它輸出可以省略輸出電容,也可以與其他不同的調(diào)光方式進(jìn)行很好的匹配,這些特點(diǎn)可以允許它在高速調(diào)光和寬范圍調(diào)光的情況下應(yīng)用。當(dāng)應(yīng)用允許的情況下,所有的這些特點(diǎn)使得降壓LED驅(qū)動的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有了很多的選擇。
什么樣的應(yīng)用條件不允許使用這種結(jié)構(gòu)呢?例如家用或商用的照明需要上千流明,設(shè)計(jì)一種方法來驅(qū)動一個LED串。LED串上的總的正向壓降等于其中每個LED正向壓降之和。在一些情況下,系統(tǒng)的輸入電壓范圍可能比一串LED的正向壓降低,或者有的時候高有的時候低。這些情況下有可能會需要升壓結(jié)構(gòu),也有可能會需要降-升壓開關(guān)調(diào)整器。
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隨著LED的廣泛應(yīng)用,在很多地方線性電源這種簡單的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足需求。一般情況下,當(dāng)用電阻的方式設(shè)定LED所需的正向電流的時候,這種簡單的驅(qū)動方式可以連續(xù)的由電源向負(fù)載提供能量。
由于LED的電流與電阻上的相同,所以電阻上產(chǎn)生的功耗會隨輸入電壓的增加而增加。例如,一個用線性電源驅(qū)動的LED,效率為70%,用5V線性電源提供1A電流給一個典型的白光InGaNLED(VF=3.5V)。在相同的工作條件下,當(dāng)輸入電壓上升到12V時,它的效率將會降到30%。在如此低效率的情況下是無法應(yīng)用的。
開關(guān)電源
開關(guān)電源改善了由于輸入變化使得效率變化比較大的問題。這種方式是通過控制占空比的方式來滿足輸出所需要的電壓或電流。由于開關(guān)電源會產(chǎn)生脈沖式的電壓和電流,所以這就需要用一些儲能器件(電感或電容)對這些脈沖波形進(jìn)行整形。
和線性電源相反,開關(guān)電源可以通過不同的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)電流或電壓的降、升或者同時升降的功能。開關(guān)電源同樣可以在寬的輸入或輸出范圍下實(shí)現(xiàn)高效率。在前面的例子中,用一個降壓型的開關(guān)電源取代線性電源后,當(dāng)輸入電壓由5V變到12V后,電路的效率由95%變到98%。
開關(guān)電源在效率和結(jié)構(gòu)的靈活性上得到了很大的提升,但由于周期性的開關(guān)造成了噪聲的增加,同時由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜使得電路的可靠性下降和成本的上升。恒流型LED電路可以被簡單的認(rèn)為是一個恒流源。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)該考慮最少的外部原件和最好的性能為標(biāo)準(zhǔn),這樣可以提高電路的穩(wěn)定性和減少成本。
鑒于LED的動態(tài)調(diào)光特性好,在設(shè)計(jì)的時候要考慮使這種特性能夠方便應(yīng)用。幸運(yùn)的是,基本降壓開關(guān)電路在實(shí)現(xiàn)這些特性的時候表現(xiàn)的非常好,所以LED驅(qū)動一般選擇降壓型開關(guān)電源。
恒流輸出級
圖1a:基本降壓型電壓調(diào)整器。
開關(guān)調(diào)整器最常用的是電壓調(diào)整器。圖1a為一種基本恒壓型降壓調(diào)整器。降壓控制器可以在輸入電壓變化的情況下,通過控制占空比或頻率的變化使輸出電壓保持恒定。輸出所需的電壓由下面的公式計(jì)算得到(Eq.1)
式1
電感L用來設(shè)置電感電流紋波的峰-峰值ΔIpp的大小,電容Co用來設(shè)置輸出電壓紋波和輸出電壓的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。在這種降壓型逆變器中電感的平均電流等于負(fù)載電流,因此我們可以通過控制電感電流紋波的峰-峰值來控制負(fù)載電流。這樣可以使電壓源控制的方式轉(zhuǎn)換成電流源控制的方式。
圖1b:基本電流型降壓調(diào)整器。
圖1b為一種基本電流型降壓調(diào)整器。與恒壓型相似,恒流型降壓調(diào)整器可以在輸入電壓變化的情況下,通過控制占空比或頻率的變化使輸出電流IF保持恒定。輸出所需的電流由下面的公式計(jì)算得到(Eq.2):
式2
在我們設(shè)定好LED電流IF之后,我們必須準(zhǔn)確的檢測電感上的電流。從理論上來說,檢測電感電流有很多方式,例如利用MOSFET的導(dǎo)通阻抗Rdson檢測或者用電感的直流電阻檢測。但是實(shí)際上這些檢測方式在精度上不能滿足LED電流設(shè)置的要求(高亮度LED的精度為5%-15%)。
如果直接用電阻RFB來檢測IF,這樣在精度上就可以滿足要求,但是在電阻上將會產(chǎn)生額外的功耗。降低反饋電壓VFB,在同樣的檢測電流IF(圖.2)的情況下可以降低檢測電阻的阻值,這樣就可以使功耗降到最低。最新的LED驅(qū)動大多數(shù)提供的參考電壓(反饋電壓)在50-200毫伏之間。
恒流降壓調(diào)整器獨(dú)特之處在于輸出可以不需要電容。因?yàn)橛羞B續(xù)的輸出電流和不存在負(fù)載瞬態(tài)變化,這個調(diào)整器中輸出電容的作用只是局限于電流濾波器。當(dāng)我們設(shè)置成沒有電容的恒流型降壓調(diào)整器時,此時輸出阻抗將大幅增加,而對于升壓型來說,由于輸出阻抗增加,為了滿足輸出電流恒定,輸出電壓也將會大幅增加。
結(jié)果調(diào)光的速度和調(diào)光的范圍都有了顯著的提高。在應(yīng)用過程中,從背光和機(jī)器視覺角度來說調(diào)光的范圍是一種非常有價(jià)值的特性。[page]
在另一方面,由于輸出電容不足,AC電流的紋波電路需要比較大的電感,以滿足LED紋波的要求(正向電流ΔIF=±5到20%)。在同樣的電流紋波時,大電感會增加面積和LED驅(qū)動的成本。因此在恒流降壓電路中,輸出電容的使用要在成本、面積和調(diào)光的速度、范圍之間經(jīng)行權(quán)衡。
例如,用紋波電流驅(qū)動一個1A的白光LED(VF≈3.5V),ΔIF需要滿足±5%范圍內(nèi),輸入電壓12V,頻率為500kHz,在電感電流幅度為1.1A時,只能允許使用50mH的電感。然而如果電感的紋波電流允許增加±30%,那么電感將會小于10mH。
如果10mH和50mH電感在使用相同的材料和相同的額定電流的情況下,在成本和體積方面,10mH大概只是50mH的一半。為了用10mH電感實(shí)現(xiàn)需求的ΔIF(±5%),輸出電容需要根據(jù)LED的動態(tài)電阻rD和檢測電阻RFB和在此開關(guān)頻率下電容的阻抗來計(jì)算,可以利用下面的表達(dá)式(Eq.3)
式3
式4
環(huán)路控制結(jié)構(gòu)
基于降壓的結(jié)構(gòu)可以與很多環(huán)路控制結(jié)構(gòu)很好的匹配,而且不用考慮穩(wěn)定性的限制,例如右半平面零點(diǎn)問題。除了和其他調(diào)光方法兼容以外,這種降壓結(jié)構(gòu)使得PWM調(diào)光變得容易。基于這種結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更多的選擇。滯回控制非常適合在開關(guān)頻率變化比較快和輸入范圍比較小的情況下應(yīng)用,例如燈泡和交通燈。
由于滯回控制不用考慮穩(wěn)定性限制,所以不需要考慮環(huán)路補(bǔ)償。不像環(huán)路控制那樣受帶寬限制。利用滯回控制驅(qū)動降壓LED驅(qū)動(圖.2a)使設(shè)計(jì)變得簡單,也減少了器件數(shù)量和成本。這種結(jié)構(gòu)也使PWM調(diào)光的范圍比其他結(jié)構(gòu)好。利用滯回控制的LED驅(qū)動非常適合在要求調(diào)光范圍非常大和調(diào)光頻率比較高以及開關(guān)頻率變化非常大的情況下應(yīng)用。
圖2a:基本的滯回控制降壓驅(qū)動。
類似的滯回降壓LED驅(qū)動可以在固定頻率操作和不需要開關(guān)頻率變化的滯回控制之間提供了一個比較好的折中方案??刂崎_啟時間的降壓LED驅(qū)動(圖2b)使用了一個滯回比較器和開啟時間控制器。讓開啟時間與輸入電壓成反比,這樣可以讓開關(guān)頻率的變化減少的最小。運(yùn)用這種結(jié)構(gòu)同樣可以避免環(huán)路控制的帶寬限制。運(yùn)用不同的調(diào)光結(jié)構(gòu)可以讓調(diào)光范圍變得非常寬。
圖2b:開啟時間控制的降壓LED驅(qū)動。
在一些情況下,例如許多自動控制應(yīng)用中,LED驅(qū)動與外部時鐘或與驅(qū)動之間進(jìn)行同步時要求減少噪音的干擾。在沒有時鐘的滯回控制和準(zhǔn)滯回控制的結(jié)構(gòu)在執(zhí)行同步頻率時會帶來困難。相比來說,這個問題對于由時鐘控制的調(diào)整器來說就比較容易實(shí)現(xiàn),例如圖2c中固定頻率的降壓LED驅(qū)動。固定頻率控制可以解決這個復(fù)雜的問題,但是由于它動態(tài)響應(yīng)的限制也影響了調(diào)光的范圍。
圖2c:基本的固定頻率的降壓LED驅(qū)動。
總之,降壓LED驅(qū)動的很多特點(diǎn)使其變得很有吸引力。它可以很容易設(shè)置成電流源,也可以實(shí)現(xiàn)最少的外圍元器件,器件少可以使得設(shè)計(jì)變得簡單,提高驅(qū)動的穩(wěn)定性,也可以減少成本。降壓結(jié)構(gòu)的LED適合很多種控制方式使其應(yīng)用的靈活性比較高。
它輸出可以省略輸出電容,也可以與其他不同的調(diào)光方式進(jìn)行很好的匹配,這些特點(diǎn)可以允許它在高速調(diào)光和寬范圍調(diào)光的情況下應(yīng)用。當(dāng)應(yīng)用允許的情況下,所有的這些特點(diǎn)使得降壓LED驅(qū)動的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有了很多的選擇。
什么樣的應(yīng)用條件不允許使用這種結(jié)構(gòu)呢?例如家用或商用的照明需要上千流明,設(shè)計(jì)一種方法來驅(qū)動一個LED串。LED串上的總的正向壓降等于其中每個LED正向壓降之和。在一些情況下,系統(tǒng)的輸入電壓范圍可能比一串LED的正向壓降低,或者有的時候高有的時候低。這些情況下有可能會需要升壓結(jié)構(gòu),也有可能會需要降-升壓開關(guān)調(diào)整器。
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