高效LED驱动设计及其应用

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。
　　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

　　虽然LED的应用日益流行，但还有许多电源管理问题亟待解决。在需要高度可靠性和安全性的车载市场上，LED器件得到了广泛的应用。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。另外，LED正被集成于投影和电视等产品中，此类产品要求快速的响应、良好的电流控制，以及完美的开关控制，这些都给设计人员提出了新的挑战。