作者： Robert Kollman，德州儀器 (TI)

摘要

本文簡要描述了 LED 特性以及驅(qū)動 LED 的電源設(shè)計(jì)權(quán)衡因素。此外，本文還介紹了幾款典型的電源應(yīng)用電路，并詳細(xì)闡述了如何關(guān)閉反饋環(huán)路。本文還討論了如何對 LED 調(diào)光，并提供了兩種調(diào)光方法。t

引言

隨著 LED 生產(chǎn)成本的降低，其應(yīng)用范圍越來越廣，其中包括手持終端設(shè)備、車載以及建筑照明。LED 的高可靠性、極佳的效率以及瞬態(tài)響應(yīng)能力使得它們成為頗具吸引力的光源。盡管白熾燈泡的成本非常低，但是多次更換白熾燈泡也將是一筆很大的開銷，路燈就是個很好的例子。完成此項(xiàng)工作需要一個工作組及一輛卡車對故障燈泡進(jìn)行更換。因此，在此類應(yīng)用中，使用 LED 可以大大降低成本。雖然 LED 和白熾燈泡的效率幾乎相同，但由于上述一些原因，在路燈應(yīng)用中將用 LED 代替白熾燈泡，這樣不但可以提高可靠性，而且還能節(jié)省能源。

白熾燈泡可以發(fā)出各種各樣的光線，但是在具體的應(yīng)用中我們通常只需要綠色、紅色以及黃色光線——例如交通信號燈。若要使用白熾燈泡，則需使用一個濾波器，這會浪費(fèi)掉 60% 的光能，而 LED 則可以直接產(chǎn)生所需顏色的光線，并且在上電時，LED 幾乎是瞬間發(fā)光，而白熾燈則需要 200mS 的響應(yīng)時間。因此，汽車行業(yè)在剎車燈設(shè)計(jì)中采用了 LED。另外，LED 將作為 DLP 視頻應(yīng)用中的光源，從而以快速開關(guān)的 LED 替代了機(jī)械組合。

LED I-V 特性

圖 1 顯示了典型 InGaAlP LED 的正向電壓特征。您也可以把 LED 作為電壓源與電阻串聯(lián)建模，并查看模型與實(shí)際測量之間的密切關(guān)聯(lián)性。電壓源擁有一個負(fù)的溫度系數(shù)，當(dāng)結(jié)溫上升時，電壓源的正向電壓會發(fā)生負(fù)的變化。InGaAlP LED（黃色和琥珀紅）的系數(shù)在 –3.0mV/K 到 –5.2mV/K 之間，而 InGaN LED（藍(lán)色、綠色以及白色）的系數(shù)則在 –3.6mV/K 和 –5.2mV/K 之間。這就是為什么不能直接對 LED 進(jìn)行并聯(lián)的一個原因。產(chǎn)生熱量較多的器件往往需要更大的電流，更大的電流會產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)而引起散熱失控。

圖 1 LED 作為電阻與電壓源串聯(lián)建模

圖 2 顯示了作為工作電流函數(shù)的相對光輸出（光通量）。很明顯，光輸出與二極管電流是密切相關(guān)的，因此可以通過改變正向電流進(jìn)行調(diào)光。并且，在電流較小時，曲線幾乎是一條直線，但是在電流增大時，其斜率變小了。這就是說，在電流較低的時候，若將二極管電流增大一倍，則光輸出也會增加一倍；但是電流較高的時候，情況就截然不同了：電流上升 100% 僅能使光輸出量增加 80%。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)?LED 是由開關(guān)電源驅(qū)動的，這會導(dǎo)致在 LED 中產(chǎn)生相當(dāng)大的紋波電流。實(shí)際上，電源的成本在某種程度上是由所允許的電流大小決定的，紋波電流越大，電源成本就越低，但光輸出會因此受到影響。

圖 2 電流超過 1A 以上，LED 效率就會降低

圖 3 量化顯示了疊加于 DC 輸出電流之上的三角紋波電流所引起的光輸出的減少。在絕大多數(shù)情況下，該紋波電流的頻率高于肉眼可以看到的 80Hz。并且，肉眼對光線的響應(yīng)是指數(shù)式的，不能察覺出小于 20% 的光線減弱。因此，即使 LED 中出現(xiàn)相當(dāng)大的紋波電流，我們也不會察覺出光輸出的減少。

圖 3 紋波電流對 LED 光輸出的輕微影響

此外，紋波電流還通過提高功耗而影響 LED 性能，這可能導(dǎo)致結(jié)溫升高，而且對 LED 的使用壽命有重大影響。圖 4 給出了一個例子，其中 LED 的相對光輸出是時間和結(jié)溫的函數(shù)。如果我們確立了 LED 的使用壽命光輸出為額定的 80%，則 LED 的使用壽命將從 74 攝氏度時的 10000 小時延長到 63 攝氏度時的 25000 小時。

圖 4 高結(jié)溫會縮短 LED 的使用壽命

圖 5 量化顯示了由于紋波電流造成的 LED 功耗的增加。與 LED 的散熱時間常量相比，由于紋波頻率較高，因此高紋波電流（以及高峰值功耗）不會影響峰值結(jié)溫，其是由平均功耗決定的。LED 的大部分壓降就像一個電壓源，因此電流波形對功耗沒有影響。然而，壓降有一個電阻分量，并且功耗由該電阻乘以均方根 (RMS) 電流的平方?jīng)Q定。

圖 5 還闡明即使是在紋波電流較大的時候，對功耗也沒有重大影響。例如，50% 的紋波電流僅增加不到 5% 的功率損耗。當(dāng)大大超過此水平時，您需要減小電源的 DC 電流以保持結(jié)溫不變，從而維持半導(dǎo)體的使用壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)溫每降低 10 攝氏度，半導(dǎo)體的使用壽命就會延長兩倍。并且，由于電感的限制許多的設(shè)計(jì)都傾向于更小的紋波電流。絕大多數(shù)的電感的設(shè)計(jì)旨在處理小于 20% 的 Ipk/Iout 紋波電流比率。

圖 5 紋波電流增加了 LED 的功耗

典型應(yīng)用

LED 中的電流在很多情況下都是由鎮(zhèn)流電阻或線性穩(wěn)壓器進(jìn)行控制的。但是，本文中我們主要講述的是開關(guān)穩(wěn)壓器。在驅(qū)動 LED 時常用的三種基本的電路拓?fù)錇椋航祲和負(fù)洹⑸龎和負(fù)湟约敖祲骸�升壓拓�(fù)洹２捎煤畏N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取決于輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系。

在輸出電壓始終小于輸入電壓的情況下，應(yīng)使用降壓穩(wěn)壓器，圖 6 顯示了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該電路中，對電源開關(guān)的占空比 (duty factor) 進(jìn)行了控制，以在輸出濾波器電感 L1 上確立平均電壓。當(dāng) FET 開關(guān)閉合時（TPS5430 內(nèi)部），其將輸入電壓連接到電感，并在 L1 中形成電流。環(huán)流二極管 D2 提供了開關(guān)斷開時的電流路徑。電感可對流經(jīng) LED 的電流起到平滑的作用，通過用電阻監(jiān)控（測量）LED 電流，并將該電壓與控制 IC 內(nèi)部的參考電壓進(jìn)行比較，從而較終實(shí)現(xiàn)對流經(jīng) LED 的電流的調(diào)節(jié)。如果電流太低，則占空比增加，平均電壓也上升——從而也就導(dǎo)致了電流的升高。由于電源開關(guān)、環(huán)流二極管以及電流檢測電阻上的壓降非常低，該電路可提供極佳的效率。

圖 6 降壓 LED 驅(qū)動器逐步降低輸入電壓

當(dāng)輸出電壓總是比輸入電壓大時，較好是采用如圖 7 所示的升壓轉(zhuǎn)換電路。該電路的 U1 中也有一個帶有控制電子器件的高度集成的電源開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合時，電流流經(jīng)電感到接地。當(dāng)開關(guān)斷開時，U1 引腳 1 上的電壓會不斷升高，直到 D1 導(dǎo)通。然后電感放電，電流進(jìn)入輸出電容器 (C3) 和 LED 串。在大多數(shù)應(yīng)用中，C3 通常用于平滑 LED 電流。如果沒有 C3，則 LED 電流將是斷斷續(xù)續(xù)的。也就是說，它會在零和電感電流之間切換，這會導(dǎo)致 LED 熱量增加（從而縮短使用壽命），并且亮度減少。在前面的例子中，LED 的電流是通過一個電阻檢測的，并且占空比會發(fā)生相應(yīng)地變化。請注意本拓?fù)浯嬖谝粋�嚴(yán)重的問題，即它沒有短路保護(hù)電路。若輸出短路，則會有較大的電流通過電感器和二極管，從而導(dǎo)致電路故障，或者輸入電壓崩潰。

圖 7 高度集成的升壓 LED 驅(qū)動器逐步升高輸入電壓

許多時候輸入電壓范圍變化很大，其可以高于或低于輸出電壓，此時降壓拓?fù)浜蜕龎和負(fù)浣Y(jié)構(gòu)就不起作用了。并且，可能在升壓應(yīng)用中需要短路保護(hù)。在這些情況下，您可能非常想使用降壓—升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（請參見圖 8）。當(dāng)電源開關(guān)閉合、電感有電流通過時該電路就相當(dāng)于升壓電路；當(dāng)電源開關(guān)斷開時，電感開始放電，電流進(jìn)入輸出電容和 LED。不過，輸出電壓不是正的，而是負(fù)的。此外，請注意本拓?fù)渲胁淮嬖谙裆龎恨D(zhuǎn)換轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的短路問題，因?yàn)槠渫ㄟ^使電源開關(guān) Q1 開路，提供了短路保護(hù)功能。該電路的另一個值得注意的特性是雖然其是一個負(fù)的輸出，但并不需要對傳感電路的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中，控制 IC 接地到負(fù)的輸出，并且可直接測量電流檢測電阻 R100 上的電壓。盡管本例中僅顯示了一個 LED，但是通過串聯(lián)可以連接許多 LED。電壓的上限是控制 IC 的較大額定電壓；輸入電壓加上輸出電壓的和不能超過該限值。

圖 8 降壓—升壓電流可限制和處理廣泛的輸入范圍

關(guān)閉環(huán)控制電路

關(guān)閉 LED 電源上的電流環(huán)路比關(guān)閉傳統(tǒng)電源上的電壓環(huán)路要簡單的多。環(huán)路的復(fù)雜性取決于輸出濾波器結(jié)構(gòu)。圖 9 顯示了三種可能的結(jié)構(gòu)：只有一個電感的簡單濾波器 (A)；典型的電源濾波器 (B)；以及改良的濾波器 (C)。

圖 9 電位輸出濾波器結(jié)構(gòu)

為每一個功率級都構(gòu)建一個簡單的 P-Spice 模型，以闡明每一功率級控制特性的區(qū)別。降壓功率 FET 和二極管的開關(guān)動作建模為壓控電壓源，增益為 10，而 LED 則建模為與 6V 電壓源串聯(lián)的 3Ω的電阻。在 LED 和接地之間添加了一個 1Ω 的電阻，用于對電流進(jìn)行檢測，圖 10 顯示了其結(jié)果。在電路 A 中，該響應(yīng)就是穩(wěn)定的一階系統(tǒng)的響應(yīng)。DC 增益由壓控電壓源（LED 電阻和電流檢測電阻構(gòu)成的分壓器）確定，系統(tǒng)的極性由輸出電感和電路電阻決定，補(bǔ)償電路則簡單地由類型 2 放大器構(gòu)成。電路 B 由于增加了輸出電容，因此有二階響應(yīng)。若 LED 的紋波電流過大并達(dá)到難以接受的程度，則可能需要該輸出電容，這是由于 EMI 或熱量等問題的出現(xiàn)造成的。DC 增益與第一個電路一樣。不過，在輸出電感和電容確定的頻率處有一對復(fù)極點(diǎn)。

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