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1、LED 光源生产商和设计者经常会提到固态发光的应用,最明显的优势就像是“树上挂得很低的水果”。例如花园路径照明或者 MR16 杯灯常常只需要一些甚至只要一个 LED。 对于低压应用来说,最通用的电压是 12VDC、24VDC 和 12VAC,这些应用常常要用到一个 Bulk 调节器。虽然如前所述,Bulk 是首选,但是在 LED 照明应用中,随着 LED 数量的增加,Boost 调节器也得到了越来越多的应用。设计者们不再满足于手电筒或者单个杯灯应用,而把目光投到大尺寸通用照明和达到几千流明的照明系统。例如街灯、公寓和商业照明、体育场照明和建筑内外装饰照明。 仍然需要常电流仍然需要常电流如同线性
2、和 Buck 衍生 LED 驱动一样,Boost LED 驱动设计中的主要技术挑战是要给阵列中的每个 LED 提供一个可控前向电流 IF。理想状态下,每个 LED 都有安装一个单组链来确保通过每个设备的电流都相同。当需要把输入 DC 电压提升到一个高 DC 输出电压的时候,Boost 调节器是最简单的选择,因为它允许在给定电压下串联更多的 LED。图 1：带有 Vo 计算的 Bulk 和 BoostLED 驱动：buck:VO=nxVF,VOVIN。通用照明系统设计者通常需要把线路电压设计成 110VAC 或者 220VAC。如果功率因数校正(PFC)、隔离和线路谐波滤波都不需要的话,那么单级
3、非隔离转换器(buck,boost,或各种 buck-boost 拓扑)就可以使用 AC 电压的校正输出来直接驱动长串的串接 LED。然而,在很多情况下,我们需要使用一个中间 DC 总线电压,它是由一个采用了通用 AC输入并且 PFC、隔离和滤波的 AC/DC 调节器产生的。包括法律要求在内,一个低中间电压总线降低了电介质击穿和电弧问题,使维修人员的的工作更安全。欧盟提出了世界上最严格的法律规定：任何高于 25 瓦的光源都要具有 PFC。没有几年,北美和亚洲也做出了同样的规定。诸如 UL 和 CE 这样的安全标准电气规定限制了供给boostLED 驱动的 AC/DC 供电输出电压。通常电压规定
4、为 12 和 24V,有时是 48V。这些中间电压总线很少超过 60V,也就是 ULClass2 定为 DC 电压的最高值。Boost 调节器调节器不管我们是否要控制输出电压或输出电流,Boost 调节器都要比 Buck 调节器更难设计。持续导通状态(CCM)Boost 转换器中的平均感应电流等于负载电流(LED 电流)乘以 1/(1-D),这里 D 是占空度。Boost 电压调节器需要设计者考虑到输入电压的限制来保证电感的正确设计,特别是额定峰值电流。Boost LED 驱动加了一个可变输出电压,这个电压影响了占空比,因此也影响了主电感器的电感值和额定电流。为了避免电感饱和,最大平均值和电流
5、峰值必须由 VIN-MIN 和VO-MAX 同时求出。例如,历数加工、驱动电流和模具温度,一个标准的白 InGaN LED 的VF 可以从 3V 变到 4V。串联的 LED 越多,VO-MIN 和 VO-MAX 的间距就越大。不同于带有输出电感的 Bulk 调节器,Boost 转换器有一个非持续输出电流。因此,输出电容需要输出电压要持续(输出电流也如此)。这里,电压调节器中的输出电容被设计成兼有滤波器并且在负载瞬变时可以保持输出电压,在电流调节中,它只是起到了类似一个 AC 电流滤波器的作用。电容值要尽量低,并且要与所期望的 LED 波动电流保持一致。输出电容越小(同时也可以尽量降低成本和大小
6、),转换器对输出电流的回应就越快,这样 LED 的调光反应就越好。Boost 转换器的另外一个严峻挑战是控制环。Buck 调节器允许电压模式的 PWM 控制、峰值电流模式的 PWM 控制、constant/controlledon-time 以及其它的滞后控制。注意到处于 CCM 的 Boost 调节器(低功率、便携设备除外)的右半平面零和在控制开关关闭的时候还在向输出供电的特性,它们几乎被限定在峰值电流模式 PWM 控制。要设计一个控制输出电流的 BoostLED 驱动,控制环必须要把 LED 看作是负载来分析,这与 Boost 电压调节器的典型负载非常不同。在峰值电流模式控制中,负载阻抗对
7、 DC 增益和控制到输出转换函数的低频极点有很大影响。对电压调节器来说,负载阻抗由输出电压与输出电流的比值来决定。LED 是个拥有动态电阻的二极管。这个动态电阻只能通过做出 VF(IF)曲线,然后用切线来找到希望的前向电流的斜率来决定。如图 1 所示,电流调节器使用负载本身来作为反馈分频器来闭环。这就使 DC 增益降低了(RSNS/(RSNS+rD)倍。我们趋向于用一个简单的积分器牺牲稳定带宽来补偿 BoostLED 驱动。事实上是大多数或者说许多 LED 驱动应用需要调光。无论调光是通过 IF 的线性调节(模拟调光)来完成,还是通过高频打开或切断输出(数字或 PWM 调光)来实现,系统都需要
8、像电压调节器实现的高带宽和快速瞬变回应。Buck-boost 调节器调节器照明用 LED 的开发要比固态光源标准的发展快得多。大量不同种类的 LED 拥有很多不同的供电电压。串联的 LED 的数目、种类及其不同的加工和模具温度都产生了不同的输出电压。例如,高端汽车正在过渡到利用 LED 来作为日间行驶灯。三个 3 瓦白色 LED 组成了一个 12V1A 的负载。汽车电压系统通常需要持续工作于 9 到 16V,并且可以延伸到 6到 42V,使系统可以无损运行,但是其性能可能要有折扣。通常来说,Buck 调节器是最好的LED 驱动器,其次是 Boost,但是在这个应用中,他们没有优劣之分。如果一定
9、要用 Buck-boost 调节器,最难的决定就是采用哪种拓扑。任何拓扑的 Buck-boost 调节器和 Buck 调节器或 Boost 调节器的最基本的区别是Buck-boost 从来没有把输入供电直接连接到输出。在一部分转换环中,Buck 和 Boost 调节器把 VIN 连接到 VO(通过电感和开关/二极管),这个直连使它们更有效率。所有的 Buck-boost 都把所有要传送给负载的能量储存或者磁场(电感或变压器)或者电场(电容)中,这样就导致了电源转换中的高峰值电流或者更高电压。特别的一点是要考虑在输入电压和输出电压的拐角,因为峰值转换电流发生在 VIN-MIN 和 VO-MAX,
10、但是峰值转换电压发生在 VIN-MAX、VIN-MAX 和 VO-MAX。一般来说,这意味着拥有一个这样的输出功率的 Buck-boost 调节器要比一个同样输出功率的 Buck 或 Boost 调节器更大且效率更低。单电感 Buck-boost 可以像 Buck 或 Boost 调节器一样组建,使它在系统成本的角度来讲很吸引人。这种拓扑的一个缺点是 Vo 被反置(图 2a)或者以 VIN 为参照(图 2b)。测平移动或者反偏电路必须要用一些转换器。像 boost 转换器,它们有一个不连续输出电流,并且需要一个输出电容来维持一个持续 LED 电流。功率 MOSFET 要承受一个峰值为 IIN
11、加上IF 的电流还有一个峰值为 VIN 加上 VO 的电压。图 2：(a) 高端 buck-boost (b)低端buck-boost其它拓扑其它拓扑SEPIC 转换器拥有连续输入电流的优点,这个连续输入电流是由输入电感和正输出电压产生的。像 boost 和单电感 buck-boost,它们需要一个输出电容来维持一个平滑 LED 电流。另外一个 SEPIC 转换器的优点是几乎任何一个低端调节器或者控制器都可以被设置成为一个毋需反偏或测平移动电路的 SEPIC。图 3：SEPICLED 驱动很少被用作电压调节的 Cuk 转换器作为 LED 驱动而崭露头角。输入和输出电流都是连续的。输出电压的极性
12、就像高端 buck-boost 一样被反置,但是输出电容像 buck 转换器一样被消除。除 Buck-boost 和 boost 以外,Cuk 是拥有这种能力的唯一的实用型非隔离调节器。图 4：Cuk 调节器由于 Boost 和 Buck-boost 调节器的高度复杂性及其外围电路、低效(特别是 Buck-boost)和控制拓扑的选择不足,致使它们都不是转换 LED 驱动的首选。但是它们都是 LED越来越多的照明应用必不可少的。某些系统结构可以用 buck 或者甚至是线性以调节器为基础的 LED 驱动来替代。比如类似于街灯的大型光源需要一百甚至更多的 1WLED。一般来说,针对通用照明的 LED 从低功耗走向高功耗,并且在其中间舞台,比如汽车前灯和小型光部件,boost 和 buck-boost 调节器代表了常电流驱动的最佳选择。
