- LED驅動器拓撲結構的對比
- 采用固定電壓電源供電
- 采用恒流線性穩壓器
發光二極管(HB-led)在每封裝流明輸出和光效(efficacy,單位為流明/瓦或lm/W)方面的性能快速提升。商用的1WLED已提供有冷色溫LED(色溫5000K)的每封裝流明輸出超過100流明,光效達100lm/W,而相同功率等級的暖色溫白光LED(色溫3000至3500K)也超過了70到80流明。
與兩年前相比,這些性能等級提高了30-40%。有了這樣的性能,LED如今正逐步發展成為眾多高性能應用中傳統白熾燈、鹵素燈和熒光燈的切實可行的替代光源。因此,固態照明(SSL)相當多地滲入到了汽車、商業和景觀照明,以及城市街道照明之中。LED還能用于新應用,如基于實際太陽能板的遠程照明,因為這很容易藉可充電電池產生LED所要求的直流驅動電流。此外,恰當設計的話,LED燈具的工作壽命可達3萬至5萬小時,因而顯著降低替代燈泡方面常見的維護成本。
然而,就控制及驅動這些LED而言,在使用的方面存在不少矛盾之處。例如,許多照明系統設計所使用或修改的已有電源方案并沒有充分顧及HB-LED的獨特驅動要求。如果設計人員要優化LED照明所能提供的優勢,必須仔細考慮驅動及控制這些器件所使用的技術,從而提供高能效及高性價比的方案。
HB-LED照明系統的主要組件包括LED發射器、電源轉換、控制及驅動、熱管理,以及眾多應用中會涉及到的光學組件。如果不充分考慮所有這些組件,相應的LED照明系統就不太可能得到優化。LED與大多數燈泡不一樣,是帶有指向性的光源,故在諸多應用中,使用鏡頭、反射鏡或擴散板來提供所需的發光圖案以及燈具的照明外觀至關重要。
同樣,如果不恰當處理熱管理問題,照明系統的工作壽命也會大幅縮短,從而沖抵使用長壽命LED的主要優勢。電源和驅動方面對照明系統的長期工作同等重要。HB-LED照明設計中的供電電壓源取決于所投入應用的類型。就建筑物及室內照明而言,電壓源通常是交流主電源。戶外照明可能采用寬泛穩壓的電源,如低壓交流電源、帶備用電池的太陽能板或交流主電源。在汽車應用中,電源通常是鉛酸電池(12Vdc)。
如果沒有某種形式的電源轉換,應當避免使用電壓源來驅動LED發射器,這是由于正常的電壓波動會造成LED電流大幅變化,因為LED的電壓/電流(V/I)曲線非常陡峭;在不同驅動電流、溫度和生產(不同批次)差異條件下,LED正向電壓變化范圍較寬。此外,出于安全因素,大多數交流主電源應用都有基于電子開關電源或磁變壓器的隔離電源轉換,將高線路電壓轉換為適合驅動LED的安全低電壓。
LED驅動電路的其中一項主要功能是在多種工作條件下穩流,而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅動電路必須符合能效、電容容限、外形因數、成本及安全性方面的應用要求。與此同時,所選的方法必須易用及足夠強固,從而適應特定應用的極端環境。有幾種不同的穩流方法。
采用固定電壓電源供電的電阻是最簡單、最低成本的穩流方法。實際上,它們并不穩流,只是在LED正向電壓變化及源電壓變化并導致電流變化從而引起亮度變異時,簡單地限制最大電流。對于低電流指示器應用而言,這可能可以接受,但隨著電流增大及串聯的LED數量增加,就變得有問題了。要克服這個問題,需要費錢又費時地對LED進行編碼及選擇恰當的電阻來匹配LED串正向電壓。即使采取這些步驟,仍然會有由輸入電壓變化導致的亮度變化問題。
另一種穩流方法選擇是恒流線性穩壓器(CCR)。它們易于設計,能夠提供有效的穩流及更多的特性,如高溫時電流反走及調光控制。CCR可以涵蓋簡單的雙端穩壓器到靈活的可調節電流設定點線性穩壓器集成電路。CCR的主要局限是輸入電壓源必須永遠高于輸出正向電壓以恰當工作,而且它們可能能效較低,熱耗散較高。后一點(即熱耗散)是LED驅動電流、輸入電源變化及正向電壓變化的直接函數。
因此,在設計及選擇過程中,封裝及總體散熱能力是關鍵考慮因素。通常線性驅動器能并行配置以擴散熱耗散,或者必須裝配在有散熱能力的封裝內。安森美半導體的NSI45030是一款CCR示例,這器件穩流電平為30mA,是將CAT4201采用緊湊型雙端SOD123封裝而成的器件;CAT4201能支持高達1A電流,具有調光控制接口,采用D2PAK封裝,能夠耗散大量功率。
圖1：并行配置30mANSI45030恒流穩壓器以提高電流能力示例
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出于能效因素及靈活性,開關穩壓器被廣泛使用。這種方法成本較高,技術也較復雜,但能提供顯著優勢,如支持任何類型的輸入電壓與輸出電壓關系,且根據輸入/輸出條件,能效能夠高于90%。與線性穩壓器不同,它們對電磁干擾(EMI)很敏感,給設計人員帶來另一項需要注意的設計約束。對于中到大功率應用或涉及寬輸入電壓范圍的應用而言,開關穩壓器是唯一可行的選擇;且許多應用中優化了開關穩壓器型LED驅動器,從而應用LED調光控制。
由于LED發射的光與通過LED的平均電流成正比,CCR同樣也提供調節光輸出的能力。通過模擬或數字脈寬調制(PWM)技術提供調光。模擬方法注入模擬信號至反饋電壓,從而使平均輸出電流減小。數字方法使用輸入PWM信號來抑制穩壓器的開關,并降低平均輸出電流。典型調光頻率介于200Hz與1,000Hz之間,因為人眼不能察覺頻率高于100Hz時的細微變化。
三種基本的驅動器/穩壓器拓撲結構分別是降壓、升壓、降壓-升壓(又稱為單端初級電感轉換,簡稱SEPIC)。在降壓電路中,最低輸入電壓(Vin)在所有工作條件下永遠高于LED串的最大電壓,而在最大輸入電壓始終低于LED串最小電壓時使用升壓電路。由于恒流驅動器的升壓拓撲結構屬性,它要求額外的電路,用于LED開路及輸出短路保護。圖1顯示了典型的LED降壓配置。注意跟傳統降壓架構不同,這配置中開關接地參考,LED串是浮接(floating)的。這拓撲結構基于專利的臨界導電模式(CrM)降壓架構,即使沒有直接感測到流過LED串的電流,也會對LED平均電流進行穩流。
圖2：CAT4201高集成度350mALED降壓驅動器,可以驅動多達7顆LED
SEPIC技術用于輸入電壓與輸出電壓交疊的應用。耦合電感領域的進步使這些方案更易于應用,且與降壓或升壓拓撲結構相比,不會滋生尺寸方面的不利影響。實際上,理解透徹的話,與更常用的拓撲結構相比,SEPIC可以提供眾多優勢,提供更高的能效等級、更小的外形因數及更低的成本。輸入和輸出電壓交疊時,除了SEPIC,也可使用一種非隔離型降壓-升壓拓撲結構,但在這種情況下,LED不再連接至地及直接感測LED平均電流。下圖是這種拓撲結構的一個示例,在這種結構中,LED負載可以是3顆或4顆串聯的1WLED。輸入電壓是12Vac,這種電壓常用于MR16及低壓景觀照明等軌道燈。
圖3：安森美半導體Greenpoint3-5WMR16參考設計簡化框圖
針對給定應用去評估最恰當的LED驅動器方案時,有多種拓撲結構可供選擇,但也須考慮不同的取舍。雖然大多數應用采用可以產生12V、24V或36V電壓的離線AC-DC電源供電,但采用太陽能供電/電池組、汽車或低壓交流等寬泛穩壓電源供電的應用也非常多。這些寬泛穩壓的電源帶來更多設計挑戰,在輸入電壓范圍與輸出電壓范圍交疊時要求更多的拓撲結構選擇。理想情況下,如果設計人員能夠靈活地選擇LED配置,最好選擇輸入電壓始終高于最壞情況正向電壓的配置,從而簡化設計要求。由于高亮度LED技術持續演進及改良,LED照明轉向實用的應用數量應該會大幅增加,而且由于它們的低壓特性,將涌現不需要離線交流電源的新應用。
