LED的高效驱动分析

　　LED 中的电流在很多情况下都是由镇流电阻或线性稳压器控制的。不过，本文主要讲述的是开关稳压器。在驱动 LED 时常用的三种基本电路拓扑为：降压拓扑结构、升压拓扑结构以及降压/升压拓扑结构。采用何种拓扑结构取决于输入电压和输出电压的关系。

　　在输出电压始终小于输入电压的情况下，应使用降压稳压器，图5显示了该拓扑结构。在该电路中，对电源开关的占空比 (duty factor) 进行了控制，以在输出滤波器电感 L1 上确立平均电压。当FET开关闭合时(TPS5430 内部)，其将输入电压连接到电感器，并在L1中构建电流。D2为环流二极管 (catch diode)，可提供开关断开时的电流路径。电感器可对流过LED的电流起到平滑的作用，该工作可通过用电阻监控(测量)LED电流，并将电压与控制芯片内部的参考电压进行比较，最终进行调节。如果电流太低，则占空比增加，平均电压也上升，从而也导致了电流的升高。该电路具有极佳的效率，因为电源开关、环流二极管以及电流感测电阻上的压降非常低。

　　图5 降压LED驱动器逐步降低输入电压

　　当输出电压总是比输入电压大时，最好采用升压转换电路，如图6所示。该电路的U1有一个带有控制电子器件的高度集成的电源开关。当开关闭合时，电流流过电感器到接地。当开关断开时，U1的引脚 1 电压会升高，直到D1导通。然后电感器放电，电流进入输出电容器(C3)和LED串。在绝大多数应用中，C3通常用于平滑LED电流。如果没有C3，则 LED电流将是断断续续的。也就是说，它会在零和电感电流之间切换，这会导致 LED 热量增加(从而缩短使用寿命)，亮度减少。在前面的例子中，LED 的电流是通过一个电阻感测的，并且占空比会发生相应的变化。请注意，本拓扑存在一个严重的问题，即它没有短路保护电路。若输出短路，则会有较大的电流通过电感器和二极管，从而导致电路失效，或者输入电压崩溃。

　　图6 高度集成的升压LED驱动器逐步升高输入电压

　　许多时候输入电压范围变化很大，可以高于或低于输出电压，此时降压拓扑和升压拓扑结构就不起作用了。并且，可能在升压应用中需要短路保护。在这些情况下，就需要使用降压/升压拓扑结构(见图7)。当电源开关闭合、电感器有电流通过时，该电路就相当于升压电路;当电源开关断开时，电感器开始放电，电流进入输出电容和 LED。不过，输出电压不是正的，而是负的。此外，请注意本拓扑中不存在升压转换电路中出现的短路问题，因为其通过使电源开关Q1开路，提供了短路保护功能。该电路的另一个特性是，虽然它是一个负的输出，但并不需要对传感电路的电平进行切换。在本设计中，控制芯片接地到负的输出，并且可直接测量电流感测电阻R100上的电压。尽管本例中仅显示了一个LED，但是通过串联可以连接许多LED。电压的上限是控制芯片的最大额定电压;输入电压加上输出电压的和不能超过该限值。

　　图7 降压/升压电流可限制和处理广泛的输入范围
关闭控制环路

　　关闭 LED 电源上的电流环路比关闭传统电源上的电压环路简单。环路的复杂性取决于输出滤波器的配置。图8显示了三种可能的配置：只有一个简单电感器的滤波器(A);一个典型的电源滤波器(B);以及一个修正后的滤波器(C)。

　　图8 电位输出滤波器设置

　　为每一个功率级都构建一个简单的P-Spice模型，以阐明每一功率级控制特性的区别。降压功率FET和二极管的切换建模为电压控制的电压源，增益为10dB，而LED则建模为与6V电压源串联的3W电阻。在LED和接地之间添加了一个1W的电阻，用于对电流进行感测。在电路A中，该响应来自稳定的一阶系统。DC增益由电压控制的电压源确定，LED电阻和电流感测电阻构成了分压器，系统的极性由输出电感和电路电阻决定，补偿电路则由类型2放大器构成。电路 B 由于增加了输出电容，因此有二阶响应。若 LED 的纹波电流过大并达到难以接受的程度，则可能要求该输出电容工作，这是由于 EMI 或热量等问题的出现造成的。DC 增益与第一个电路一样。不过，在输出电感和电容确定的频率处有一对复极点。

　　滤波器的总相移为180.若没有很好地设计补偿电流，可能会导致系统不稳定。补偿电流的设计与传统电压模式电源类似，传统电压模式电源要求有一个类型3的放大器。与电路 A 相比，补偿电路增加了两个组件以及一个输出电容。在电路 3 中对输出电容进行重定位，以便更容易对电路进行补偿。LED 的纹波电压与电路 B 类似，所不同的是，电感的纹波电流流过电流感测电阻 R105。因此，在计算功耗时也要考虑到这一部分。该电路有一个零点，一对极点，并且其补偿设计与电路 A 一样简单，DC 增益也与前两个电路相同。该电路的电容和 LED 串联电阻引入了一个零点，并拥有两个极点，一个由输出电容和电流感测电阻确定;另一个则由电流感测电阻和输出电感确定。在高频率时，其响应与电路 A 一样。

　　调光

　　通常需要对 LED 进行调光。例如，需要调节显示器或建筑照明的亮度。实现上述目标有两种方法：降低 LED 的电流，或快速对 LED 进行开关操作。更有效率的方法是降低电流，因为光输出并不完全与电流呈线性关系，并且，LED 的色谱在电流小于额定值时会发生变化。人们对亮度的感知是指数型的，因此，调光可能需要对电流进行很大更改，这会对电路设计造成很大的影响。考虑到电路的容差，满电流值工作时，3%的调节误差可以造成10%负载时的30%或更高的误差。通过电流波形的脉宽调制 (PWM) 进行调光更为准确，尽管这种方法存在响应速度问题。在照明和显示器应用上，PWM频率高于 100Hz，以使肉眼感觉不到闪烁。10% 的脉冲宽度在ms量级内，并要求电源的带宽大于 10kHz，此项工作可以通过图8(A 与 C)中简单的环路完成。图9为带 PWM 调光功能的降压功率级电路。在本例中，LED 轻松地闭合/断开电路。通过这种方式，控制环路总是处于激活状态，并实现了极快的瞬态响应。

　　图9 Q1 用于PWM LED电流

　　结语

　　车载电气系统对电源质量要求很高，因此，必须设计保护电路，以避免在电压超过 60V 时出现“抛负载”现象。建筑 LED 的电源设计问题也很多，需要进行功率因数矫正，以及对电流和亮度的控制。