- 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(wěn)壓器
發(fā)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(fā)展成為眾多高性能應用中傳統(tǒng)白熾燈、鹵素燈和熒光燈的切實可行的替代光源。因此,固態(tài)照明(SSL)相當多地滲入到了汽車、商業(yè)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(tǒng)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(yōu)化LED照明所能提供的優(yōu)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(tǒng)的主要組件包括LED發(fā)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(tǒng)就不太可能得到優(yōu)化。LED與大多數(shù)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(fā)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(tǒng)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(yōu)勢。電源和驅動方面對照明系統(tǒng)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(wěn)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(fā)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(shù)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(wěn)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(shù)、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(huán)境。有幾種不同的穩(wěn)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(wěn)流方法。實際上,它們并不穩(wěn)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(lián)的LED數(shù)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?shù)碾娮鑱砥ヅ銵ED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(wěn)流方法選擇是恒流線性穩(wěn)壓器(CCR)。它們易于設計,能夠提供有效的穩(wěn)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(wěn)壓器到靈活的可調節(jié)電流設定點線性穩(wěn)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(shù)。
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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(yōu)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(wěn)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(wěn)壓器是唯一可行的選擇;且許多應用中優(yōu)化了開關穩(wěn)壓器型LED驅動器,從而應用LED調光控制。
由于LED發(fā)射的光與通過LED的平均電流成正比,CCR同樣也提供調節(jié)光輸出的能力。通過模擬或數(shù)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(shù)字方法使用輸入PWM信號來抑制穩(wěn)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(wěn)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(tǒng)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(wěn)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(yōu)勢,提供更高的能效等級、更小的外形因數(shù)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(lián)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?shù)腖ED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(shù)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(wěn)壓電源供電的應用也非常多。這些寬泛穩(wěn)壓的電源帶來更多設計挑戰(zhàn),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(xù)演進及改良,LED照明轉向實用的應用數(shù)量應該會大幅增加,而且由于它們的低壓特性,將涌現(xiàn)不需要離線交流電源的新應用。
