LED驱动电源设计讲解与应用

只看该作者 · 2020-4-27 15:06

LED驱动电源设计讲解与应用

　 LED电流常由安定电阻或线性稳压器控制，但本文主要讨论交换式稳压器。LED驱动架构基本上可分为降压、升压和升降压等三种类型，实际架构则应由输入电压与输出电压的关系决定。

　　如果输出电压永远低于输入电压，则可采用降压稳压器。在此电路里，输出滤波电感L1的平均电压是由功率开关的负载周期所控制。TPS5430内含的FET开关导通时会将输入电压连接到电感L1并产生电流，逆向电压保护二极管D2则会在开关截止时提供另一条电流路径。L1电感可以稳定LED电流，因为电路会透过电阻监控LED电流，然后比较电阻电压与控制组件内部的参考电压以判断电流大小：如果电流太小，就增加功率开关的负载周期来提高L1电感的平均电压，以便让LED电流升高。这个电路的工作效率很高，因为功率开关、逆向电压保护二极管和电流感测电阻的电压降都很小。

　　降压式LED驱动器会将输入电压转换为较低电压

　　如果输出电压永远大于输入电压，升压转换架构就是最佳选择。这个设计除了控制电路外，同样会使用内含功率开关的组件U1。功率开关导通时，电流会通过电感到地。开关截止时，U1接脚1的电压会上升直到D1导通，电感也会经由输出电容C3和多个串联的LED开始放电。多数应用会利用C3稳定LED电流，若没有该电容，LED电流会变成在零与电感电流之间交替切换的不连续电流，不仅会降低LED的亮度，还会产生更多热量而缩短LED寿命。此电路也和前面一样利用电阻感测LED电流，再根据结果调整负载周期。注意，此架构很大的缺点是没有提供短路保护，输出端短路会造成庞大电流通过电感与二极管，将导致电路故障或输入电压大幅下降。

　　整合式升压LED驱动器将输入电压转换为高电压

　　如果输入电压的变动范围很大，有时高于输出电压，有时又低于输出电压，那么单纯的降压或升压架构就不适用。除此之外，升压应用还可能需要短路保护功能。在此状况下，设计人员应采用升降压架构。这个电路与升压转换架构很类似，会在功率开关导通时建立电感电流，等到功率开关停止导通，电感电流就会通过输出电容和LED。这种设计与升压转换架构的区别在于输出电压不是正值，而是负电压。此架构还能在输出短路时将开关Q1切断，所以可以避免升压架构发生的短路问题。此电路的另一特点是尽管输出为负电压，感测电路却不需执行电压位准转换——因为控制组件的地线连接到负输出端，并直接测量感测电阻R100两端的电压。下图中虽然只有1个LED，实际应用却可串联多颗。另外要注意的是，输入电压与输出电压的总和不能超过控制组件的最大电压额定值。

　　升降压架构支持很大的输入电压范围

LED电源供应的电流回路设计要比传统电源供应的电压回路简单。电流回路的复杂性是由输出滤波架构决定的。下图是三种常见架构，分别是单纯的电感滤波器（A）、典型的电源供应滤波器（B）和改良型滤波器设计（C）。

　　三种不同的输出滤波架构

　　为每个功率级电路建立简单的P-Spice模型，以说明其控制特性的个别差异。其中降压转换功率FET与二极管的开关动作由一个10倍增益的压控电压源代表，LED由一个3Ω电阻串联6V电压源代表，LED与接地之间还有一个1Ω的电流感测电阻。模拟结果如图所示。

　　三种滤波器架构的增益与相位图

　　电路A是相当稳定的一阶系统响应，其中，直流增益是由压控电压源、LED阻抗所构成的分压器以及电流感测电阻所决定，系统极点则由输出电感与电路阻抗决定。补偿电路设计也很简单，只要使用乙类放大器即可。

　　电路B由于包含输出电容，所以会有二阶响应。增加输出电容是因为某些应用在电磁干扰或散热因素的考虑下，不能容忍LED出现太大的纹波电流，因此需要输出电容来消除纹波电流。这个电路的直流增益与前面的电路相同，但它会在输出电感和电容所决定的频率点上产生一对复数极点。由于滤波电路的总相位移为180°，因此补偿电路设计必须谨慎以免系统不稳定。补偿电路设计与采用丙类放大器的传统电压模式电源供应很类似，但比电路A多出两颗零件和输出电容。

　　电路C则会重新安排输出电容的位置，使电路补偿更容易。LED两端的纹波电压与电路B很类似，只不过电感纹波电流会通过电流感测电阻R105，这在计算功耗时必须考虑。此电路的补偿设计几乎和电路A同样简单，直流增益也与前面两种电路相同。电路共有1个零点和2个极点，零点由电容和LED串联电阻产生。第一个极点由输出电容和电流感测电阻决定，第二个极点由电流感测电阻和输出电感决定。当频率很高时，此电路的响应与电路A相同。

　　调光

　　许多应用都需要LED调光功能，像是显示器亮度控制和建筑照明调整。LED调光方式有两种，一种是减少LED电流，另一种是让LED快速导通和截止。由于输出光强度不全与电流成正比，LED光谱在电流低于额定值时还常会移动，所以减少LED电流不是很有效率的做法。另外，人类的亮度感受还与光强度成指数关系，需大幅改变电流才能达到调光效果，这对电路设计造成很大影响，例如，电路容差（circuit tolerance）就能让3%的满负载电流误差在10%负载时增为30%以上。

　　电流波形脉冲宽度调变（PWM）虽然提供更精确的亮度调整，但响应速度要特别注意，如照明和显示器应用就必须让PWM速度超过100Hz，否则看起来会有闪烁的感觉。假设PWM频率为100Hz，那么10%的脉冲宽度就已进入毫秒范围，是故电源供应必须提供10kHz以上的带宽。包含PWM调光功能的降压转换功率级电路，会不停接通和切断LED与电路的联机。这种架构让控制回路永远处于工作状态，故能提供非常快速的瞬时响应。