LED驱动电源的拓扑结构电路
发布时间：2013-4-17 12:06
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随着 LED 的生产成本下降，其使用愈发普遍，所涵盖的应用范围从手持终端设备到车载，再到建筑照明。但驱动 LED 并非没有挑战，本文对 LED 特性及驱动 LED 时需要权衡的因素作了概述，并对适用于驱动 LED 和进行 LED 调光的各种开关电源拓扑进行了详 尽的讨论，此外还详细说明了这些电源的相关优点。 LED 的高可靠性（使用 寿命超过 50，000 个小时）、较高的效率（>120 流明/瓦）以及近乎瞬时的响应能力使其成为极具吸引力的光源。与白炽灯泡 200mS 的响应时间相比，LED 会在短短 5nS 响应时间内发光。因此，目前它们已在汽车行业的刹车灯中得到广泛采用。 驱动 LED 驱动 LED 并非没有挑战。可调的亮度需要用恒定电流来驱动 LED，并且无论输入电压如何都必须要保持该电流的恒定。这与仅仅将白炽灯泡连接到电池来为其供电相比更具有挑战性。 LED 具有类似于二极管的正向 V-I 特性。在低于 LED 开启阈值（白光 LED 的开启电压阈值大约为 3.5V）时，通经该 LED 的电流非 常小。在高于该阈值时，电流会以正向电压形式成指数倍递增。这就允许将 LED 定型为带有一个串联电阻的电压源，其中带有一则 警示说明：本模型仅在单一的工作 DC 电流下才有效。如果 LED 中的 DC 电流发生改变，那么该模型的电阻也应随即改变，以反映新 的工作电流。在大的正向电流下，LED 中的功率耗散会使设备发热，此举将改变正向压降和动态阻抗。在确定 LED 阻抗时充分考虑散热环境是非常重要的。 当通过降压稳压器驱动 LED 时，LED 常常会根据所选的输出滤波器排列来传导电感的 AC 纹波电流和 DC 电流。这不仅会提高 LED 中电流的 RMS 振幅，而且还会增大其功耗。这样就可提高结温并对 LED 的使用寿命产生重要影响。 如果我们设定一个 70%的光输出限制作为 LED 的使用寿命，那么 LED 的寿命就会从 74 摄氏度度下的 15，000 小时延长到 63 摄氏度度下的 40，000 小时。LED 的功率损耗由 LED 电阻乘以 RMS 电流的平方再加上平均电流乘以正向压降来确定。由于结温可通过平均功耗来确定，因此即使是 较大的纹波电流对功耗产生的影响也不大。 例如，在降压转换器中，等于 DC 输出电流 (Ipk-pk = Iout) 的峰至峰纹波电流会增加不超 过 10% 的总功率损耗。如果远远超过上面的损耗水平，那么就需要降低来自电源的 AC 纹波电流以便使结温和工作寿命保持不变。 一条非常有用的经验法则是结温每降低 10 摄氏度，半导体寿命就会提高两倍。实际上，由于电感器的抑制作用，因此大多数设计就 趋向于更低的纹波电流。此外，LED 中的峰值电流不应超过厂商所规定的最大安全工作电流额定值。 LED驱动电源的拓扑结构选择分析 采用AC-DC电源的LED照明应用中，电源转换的构建模块包括二极管、开关(FET)、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构，参见图3，其中反激拓扑结构是功率小于30 W的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。就隔离结构中的变压器而言，其尺寸的大小与开关频率有关，且多数隔离型LED驱动器基本上采用“电子”变压器。 
图1：LLC半桥谐振拓扑结构 采用DC-DC电源的LED照明应用中，可以采用的LED驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，基本的应用示意图参见图4。电阻型驱动方式中，调整与LED串联的电流检测电阻即可控制LED的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容(EMC)问题，劣势是依赖于电压、需要筛选(binning) LED，且能效较低。线性稳压器同样易于设计且没有EMC问题，还支持电流稳流及过流保护(fold back)，且提供外部电流设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压器通过PWM控制模块不断控制开关(FET)的开和关，进而控制电流的流动。
图2：常见的DC-DC LED驱动方式 开关稳压器具有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰(EMI)问题。LED DC-DC开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转换器(SEPIC)等不同类型。其中，所有工作条件下最低输入电压都大于LED串最大电压时采用降压结构，如采用24 Vdc驱动6颗串联的LED；与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构，如采用12 Vdc驱动6颗串联的LED；而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC结构，如采用12 Vdc或12 Vac驱动4颗串联的LED，但这种结构的成本及能效最不理想。 采用交流电源直接驱动LED的方式近年来也获得了一定的发展，其应用示意图参见图5。这种结构中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势，如避免AC-DC转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中LED在低频开关，故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外，在这种设计中还需要加入LED保护措施，使其免受线路浪涌或瞬态的影响。 
图3：直接采用交流驱动LED的示意图 |
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