LED照明技术知识之降压结构的实现

在文章的第一部分，我们研究了基本的LED光源和驱动方式。介绍了一些简单的驱动方式，例如电压源/限流电阻的方式和线性稳压电源方式，但LED光源的功率需求和复杂程度的不断增加，使得这些简单的驱动方式已经不在能满足要求。这样就需要一种更加高级开关模式的LED驱动。那到底我们选择用什么样的开关方式呢？在第二部分，我们将探讨为什么开关模式的LED驱动用恒流降压电路表现最好，或者换种说法，为什么要用降压模式？

　　随着LED的广泛应用，在很多地方线性电源这种简单的结构已经不能满足需求。一般情况下，当用电阻的方式设定LED所需的正向电流的时候，这种简单的驱动方式可以连续的由电源向负载提供能量。由于LED的电流与电阻上的相同，所以电阻上产生的功耗会随输入电压的增加而增加。例如，一个用线性电源驱动的LED，效率为70%，用5V线性电源提供1A电流给一个典型的白光InGaN LED (VF = 3.5V)。在相同的工作条件下，当输入电压上升到12V时，它的效率将会降到30%。在如此低效率的情况下是无法应用的。

　　开关电源

　　开关电源改善了由于输入变化使得效率变化比较大的问题。这种方式是通过控制占空比的方式来满足输出所需要的电压或电流。由于开关电源会产生脉冲式的电压和电流，所以这就需要用一些储能器件(电感或电容)对这些脉冲波形进行整形。和线性电源相反，开关电源可以通过不同的设置来实现电流或电压的降、升或者同时升降的功能。开关电源同样可以在宽的输入或输出范围下实现高效率。在前面的例子中，用一个降压型的开关电源取代线性电源后，当输入电压由5V变到12V后，电路的效率由95%变到98%。

　　开关电源在效率和结构的灵活性上得到了很大的提升，但由于周期性的开关造成了噪声的增加，同时由于结构的复杂使得电路的可靠性下降和成本的上升。恒流型LED电路可以被简单的认为是一个恒流源。拓扑结构的选择应该考虑最少的外部原件和最好的性能为标准，这样可以提高电路的稳定性和减少成本。鉴于LED的动态调光特性好，在设计的时候要考虑使这种特性能够方便应用。幸运的是，基本降压开关电路在实现这些特性的时候表现的非常好，所以LED驱动一般选择降压型开关电源。

　　恒流输出级

　　开关调整器最常用的是电压调整器。图1a为一种基本恒压型降压调整器。降压控制器可以在输入电压变化的情况下，通过控制占空比或频率的变化使输出电压保持恒定。输出所需的电压由下面的公式计算得到(Eq. 1)

　图2b：开启时间控制的降压LED驱动

　　在一些情况下，例如许多自动控制应用中，LED驱动与外部时钟或与驱动之间进行同步时要求减少噪音的干扰。在没有时钟的滞回控制和准滞回控制的结构在执行同步频率时会带来困难。相比来说，这个问题对于由时钟控制的调整器来说就比较容易实现，例如图2c中固定频率的降压LED驱动。固定频率控制可以解决这个复杂的问题，但是由于它动态响应的限制也影响了调光的范围。

图2c：基本的固定频率的降压LED驱动

　　总之，降压LED驱动的很多特点使其变得很有吸引力。它可以很容易设置成电流源，也可以实现最少的外围元器件，器件少可以使得设计变得简单，提高驱动的稳定性，也可以减少成本。降压结构的LED适合很多种控制方式使其应用的灵活性比较高。它输出可以省略输出电容，也可以与其他不同的调光方式进行很好的匹配，这些特点可以允许它在高速调光和宽范围调光的情况下应用。当应用允许的情况下，所有的这些特点使得降压LED驱动的拓扑结构有了很多的选择。

　　什么样的应用条件不允许使用这种结构呢？例如家用或商用的照明需要上千流明，设计一种方法来驱动一个LED串。LED串上的总的正向压降等于其中每个LED正向压降之和。在一些情况下，系统的输入电压范围可能比一串LED的正向压降低，或者有的时候高有的时候低。这些情况下有可能会需要升压结构，也有可能会需要降-升压开关调整器。在下一部分，我们将会讨论升压和降-升压结构的LED驱动。