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1、1 / 6 基于降压转换器的LED 照明驱动器设计2018年 4 月 7 日来源:大比特半导体器件网虽 然 在 输 出 电 压 可 能 高于 也 可 能 低 于 输 入 电 压时 ， 峰 值 电 流 模 式 控 制的 非 连续 升 降 压 转 换 器 是LED驱 动 器 的 一 个 不 错 选 择 。 但 是 ， 采 用 这 种 升 降 压 转 换 器来设计驱动器时，LED电压的变化会改变LED 电流，LED开路将导致输出端产生 过 高 的 电 压 ， 从 而 损 坏 转 换 器 。 本 文 将 详 细 讨 论 这 种 用 于LED的 转 换 器 设计，并给出多种克服其固有缺点的方法。发 光
2、二 极 管 (LED的 应用 已 有 很 多 年， 随 着 最新 技 术 的 进步 ， 它 们正逐渐 成为照明市场中强有力的竞争者。新的高亮度LED具有很长的寿命( 约 10 万小时和很高的效率(约30流明 /瓦 。过去三十多年来，LED的光输出亮度每l8 24个月便会翻一番，而且这种增长势头还会持续下去，这种趋势称为Haitz定律，相当于LED的摩尔定律。从 电 气 上 来 说 ， LED与 二 极 管 类 似 ， 它 们 也 是 单 向 导 电 (尽 管 它 们 的 反 向 阻断 能 力 并 不 太 好 ，高 的反 向 电 压 很 容 易 损坏 (LED， 并 具 有与 常 规 二极 管
3、类 似 的低动态阻抗V-I特性。另外，LED一般都有安全导通时的额定电流( 高亮度LED的额定电流一般为350mA或 700mA。通过额定电流时，LED正向压降的差异可能比较大，通常350mA白光LED的压降在3 4V 之间。驱动LED需要受控的DC 电流。为了使LED的使用寿命长些，LED电流中的纹波必须很低，因为高纹波电流会使LED产生较大的阻性功耗，降低LED使用寿命。LED驱动电路需要更高效率，因为总体效率不仅取决于LED本身，也与驱动电路有关。而工作于电流控制模式的开关转换器是满足LED应用的高功率及高效率要求的理想驱动方案。驱动多个LED也需要仔细考虑。图1 是LED的串并联连接电
4、路。其中图1(a 为 LED的并联连接电路。图1(h 是LED的串联连接电路。由于各个LED的 动 态 阻 抗 和 正 向 压 降不 相 同 ， 因 此 ， 如 果 没有 外 部 均 流 电 路( 如 电流 镜 像 ， 就不可能保证流过LED上的电流相同。此外，由于一个LED 出现故障将使LED串断开，从而致使所有LED电流在剩下的LED串之间分配，这将导致LED串上的电流增大，从而可能损坏LED 。因此，出于上面两个原因，设计时一般不用如图1(a 那样的并联LED 电路。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页2 / 6
5、 因此，更好的做法是将LED串联起来。但该方法的缺点是，如果一个LED 出现故障，则整个LED串将停止工作。让剩下的LED串继续工作的一个简单办法是将一个齐纳二极管(其额定电压大于LED的最高电压与每个 ( 或每组 LED并联，如图1(b 所示。这样，任何一个LED发生故障后，其电流都会流到相应的齐纳二极管上，LED串的其余部分仍可正常工作。基 本 的 单 阶 开 关 转 换 器可 分 为 三 类 ： 降 压 转 换器 、 升 压 转 换 器 和 升 降压 转 换器。当LED串的电压低于输入电压时，降压转换器图2(a 是理想的选择。当输入电压总是低于串输出电压时，则使用升压转换器比较合适图2(
6、b 。当输出电压可 能 高 于 也 可 能 低 于 输入 电 压 时 ( 由 输 出 或 输入 变 化 引 起 ， 则 采用升降 压 转 换 器图2(c 比 较 合 适 。 升 压 转 换 器 的 缺 点 是 ， 输 入 电 压 的 任 何 瞬 变 ( 可 使 输 入 电 压 升高并超过输出电压都会导致LED上流过很大电流(由于负载的低动态阻抗 ，从而损坏LED 。升降压转换器也可代替升压转换器，因为输入电压的瞬变不会影响LED电流。升降压转换器的工作原理对 于 低 电 压 应 用 中 的LED驱 动 器 ， 升 降 压 转 换 器 是 一 种 不 错 的 选 择 。 其 原因 有 它 们 可
7、 用 高 于 和 低 于 输 入 电 压 的 电 压 来 驱 动LED串 ( 升 压 和 降 压 、 效 率 很高 (很 容 易 到 达85% 以 上 、 非 连 续 工 作 模 式 可 抑 制 输 入 电 压 的 变 化 ( 提 供 优 良 的线电压调节、峰值电流控制模式允许转换器调节LED电流，而无需复杂的补偿精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页3 / 6 ( 简化设计 、很容易实现线性和PWM LED亮度调节、开关晶体管失效不会损坏LED等等。图2 给出了降压、升压和升降压转换器与LED串的连接电路。但 是 ，
8、这 种 方 法 仍 有 缺点 ： 一 是 峰 值 电 流 受 控问 题 ， 因 为 采 用 非 连 续电 流 模式的升降压转换器是一种功率恒定的转换器。因此，LED串电压的任何变化都会引起LED电流的相应改变。另一个问题是LED开路状态会在电路中产生损坏转换 器 的 高 电 压 。 此 外 ，还 需 要 额 外 的 电 路 将 恒定 功 率 转 换 器 转 变 为 恒定 电 流 转 换器，并需要在无负载情况下保护转换器。图3 所示为具体的升降压转换器应用电路，该控制器内置了用于设定开关频率的振荡器。在开关周期之初，Q1 导通。由于输入电压VIN加在电感上，电感电流 (iL(t开始从零( 初始稳
9、定状态 开始上升。当感应电流上升至预先设定的电流值 (ipk时， Q1 关闭。开关导通时间(ton由下式确定：ton=ipkL/VIN此时，存储在电感内的总能量(J 为：J=Li2pk/2这 样 ， 尽 管 此 时 开 关 会关 闭 ， 但 流 经 电 感 的 电流 并 不 会 中 断 。 这 会 使二 极 管D1导通，并在电感两端产生输出电压(-Vo，这个负电压会导致电感电流迅速下降。经过一定时间tOFF后，电感电流趋于零。此时间可通过下列公式来计算：tOFF=ipkL/VO为 使 转 换 器 工 作 在 非 连续 导 通 模 式 下 ， 开 关 导通 时 间 与 电 感 电 流 下 降时
10、间 的总 和 必 须 小 于 或 等 于 开 关 周 期TS ， 以 便 确 保 在 下 一 个 开 关 周 期 时 ， 电 感 电 流 能够从零开始。事 实 上 ， 在 输 入 电 压 最 小 和 输 出 电 压 最 大 的 情 况 下 ， (tON+tOFF可 取 得 最大 值 。 因 此 ， 确 保 在 这些 电 压 下 转 换 器 工 作 于非 连 续 导 通 模 式 可 保 证在 任 何 情 况下都能满足下式所列的条件：tON+tOFF Ts精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页4 / 6 转换器从输入端获得的
11、功率(P in 电感中的能量与开关频率f 的乘积：即：Pin=fsLi2pk/2假 设LED串 的 电 压 (VO恒 定 且 效 率 为100% ， 那 么LED的 电 流 (iLED为：iLED=PIN/VLED=Li2pkfs/2V在峰值电流控制模式下，ipk通常是一个固定值。因此，LED电流完全独立( 理论上 于输入电压。在固定的ipk下，输入电压的上升(下降 会引起晶体管的导 通 时 间 成 反 比 例 减 少 ( 增 加 ， 这 将 提 供 很 好的 线 电 压 调 节 。 在 实 际应 用 中 ， 从控 制IC检 测 到电 流 峰值 到GATE引 脚实 际关 断 之 间的 延迟 会
12、 引起输 入 功 率变化 。 导 通 时 间 较 短 会 由于 延 迟 时 间 而 出 现 更 多误 差 ， 因 为 延 迟 时 间 将会 占 导 通 时间相当大的部分。实际上，LED电流与LED串的电压成反比。一个标称输出为20 V 和350 mA的 电路，将在10V输 出电压时产生700 mA的 电流，这显然不是 期望的 结果 。 但 是 ， 通 过 使 开 关频 率 与 输 出 电 压 成 正 比， 上 述 公 式 提 供 了 一 种将 恒 定 功 率转换器转换为恒定电压转换器的方法。假设fs=KVO，其中K 是常数，那么有：iLED=kLi2pk/2这样， iLED将独立于输入和输出电
13、压。回 扫 转 换 器 的 另 一 个 缺 点 是 它 易 受 输 出 开 路 状 态 的 影 响 。 当LED开 路 时 ，存 储 在 电 感 内 的 能 量 在 每 次 开 关 导 通 时 间 的 最 后 都 会 被 转 移 到 输 出 电 容 里 。 这样 ， 缺 少 电 容 放 电 的 负载 将 导 致 电 容 两 端 的 电压 逐 渐 上 升 ， 最 后 超 过器 件 的 标 称值并损坏功率级。因此，可通过增加额外电路来提供输出电压反馈及过压保护。输出电压反馈图4 是一个可实现过压保护和LED开路保护的额外电路。实际上，很多峰值电流模式控制器IC都具有专用的RT引脚。与该引脚相连的电
14、阻可用来设置内 部 电 流 ， 其 内 部 电 流用 来 给 振 荡 器 电 容 (可以 是 内 部 或 外 部 充电。振 荡 器 电 容上的 斜坡电压控制开关频率，这样，开关频率与RT引脚的输出电流成正比。电阻 越 小 ( 大 ，电 流 就 越大 (小 ， 开 关频 率 也 就越 高 (低 。 基于 这 一 原理 ， 可 利用输出电压反馈来调整开关频率。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页5 / 6 在图4 所示电路中，电阻R3 和 R4 构成一个分压器。R4 上的电压减去晶体管 Q2 基极和发射极之间的压降(Vbe
15、就是R5 上的电压。因此，流经R5 的电流(IR5为：该电流是利用匹配的晶体管对从控制IC 的引脚RT 获得的。图4 中 的 电 阻R2 用 于 启 动 转 换 器 。 在 启 动 状 态 下 ， 输 出 电 压 为 零 ， 因 而IR5也为零。由于没有来自控制器RT引脚的电流，所以转换器无法启动。增加电阻R2 可以在启动状态下获得一小部分电流，并使R2 的大小满足：IR5V(RT/R2 其中V(RT是控制器RT 引脚上的电压。满足该条件可确保转换器的启动，并将R2 带来的误差降至最低。如选R3=R4 ，则有：IR5VO/2R5 这里假定输出电压比Q2 的基极 - 发射极压降大得多。这样，根据
16、以上各公式便可以得到输出LED电流为：iLED=KICLi2pk/(2 2R5这 样 ， LED电 流 将 不再 决 定 于 输 入 或 输 出 电压 。 采 用 电 阻R6 、 晶体 管Q3和齐纳二极管D2 可增加过压保护功能。在LED开路状态下，当开关导通时，电感 存 储 能 量 ， 当 开 关 关闭 时 ， 该 能 量 转 移 到 输出 电 容 上 。 因 为 没 有 足够 的 负 载 供电 容 放 电 ， 输 出 电 压 在每 个 周 期 都 会 逐 渐 升 高。 当 电 压 升 高 到 超 过 齐纳 二 极 管 的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - -
17、 - - - - -第 5 页，共 6 页6 / 6 导通电压时，由D2 和 R6 组成的齐纳二极管分支电路开始导通。这也提供了一条通过Q3基极电流的路径，使Q3 导通。此时，电阻R4 实际上被短路。因此，Q2 的基极发射极的PN 结将关闭，导致R5 上的电流为零。这将停止控制器的内部 振 荡 直 到 输 出 电 压 降到 齐 纳 二 极 管 电 压 以 下， 以 上 过 程 继 续 进 行 。这 种 猝 发 模式可将LED开路状态下的平均功率降至最小。这种过压保护方法将强制控制IC进入低频、低功率的工作模式。齐 纳二 极管电阻分 支电路上的 电流必须能在R6 上产 生足 够大的电压，以便为晶
18、体管基极-发射极之间的PN 结提供偏置。结束语在 带 有 输 出 电 流 反 馈 的 开 关LED驱 动 器 中 ， 一 般 还 需 要 反 馈 补 偿 来 稳 定 转换 器 ， 并 调 节 电 流 以 达 到 期 望 的 电 流 值 。 这 些 反 馈 方 案 的 瞬 态 响 应 性 能 是 有 限的，无法满足LED的PWM亮度调节所需要的快速开/关瞬态响应。然而，本文所 描 述 的 转 换 器 并 不 要求 任 何 反 馈 补 偿 。 该 控制 方 案 所 用 的 唯 一 反 馈信 息 是 通 过传 感 电 阻 获 得 流 经MOSFET的 峰 值 电 流 。 因 为 转 换 器 在 每
19、个 周 期 都存 储 所 需 的能量，所以它可以对瞬态做出即时响应。因此它可以很方便地与PWM亮度调节方案一起工作。升 降 压 转 换 器 是 低 直 流 电 压 输 入LED驱 动 器 的 有 效 解 决 方 案 ， 无 论 输 出 电压高于还是低于输入电压，它都可以驱动LED串。此外，还可在转换器中增加小 型 而 低 廉 的 额 外 电 路以 克 服 负 载 调 节 和 无 负载 状 态 下 的 问 题 。 该 转换 器 易 于 实现 ， 且 在 峰 值 电 流 模 式控 制 时 无 需 进 行 反 馈 补偿 没 计 。 它 所 具 有 的 开环 特 性 也 使之成为那些需要PWM亮度调节的应用中的理想选择。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页
