led照明技術(shù)知識之降壓結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

1、led照明技術(shù)知識之降壓結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)在文章的第一部分，我們研究了基本的led光源和驅(qū)動方式。介 紹了一些簡單的驅(qū)動方式，例如電壓源/限流電阻的方式和線性穩(wěn)壓電源 方式，但led光源的功率需求和復(fù)雜程度的不斷增加，使得這些簡單的 驅(qū)動方式已經(jīng)不在能滿足要求。這樣就需要種更加高級開關(guān)模式的led 驅(qū)動。那到底我們選擇用什么樣的開關(guān)方式呢？在第二部分，我們將探討 為什么開關(guān)模式的led驅(qū)動用恒流降壓電路表現(xiàn)最好，或者換種說法， 為什么要用降壓模式？隨著led的廣泛應(yīng)用，在很多地方線性電源這種簡單的結(jié)構(gòu)已經(jīng) 不能滿足需求。一般情況下，當(dāng)用電阻的方式設(shè)定led所需的正向電流 的時候，這種簡單的驅(qū)動方式可以

2、連續(xù)的由電源向負(fù)載提供能量。由于 led的電流與電阻上的相同，所以電阻上產(chǎn)生的功耗會隨輸入電壓的增加 而增加。例如，一個用線性電源驅(qū)動的led,效率為70%,用5v線性電 源提供1a電流給一個典型的白光ingan led （vf = 35可。在相同的工 作條件下，當(dāng)輸入電壓上升到12v時，它的效率將會降到30%。在如此 低效率的情況下是無法應(yīng)用的。開關(guān)電源開關(guān)電源改善了由于輸入變化使得效率變化比較大的問題。這種 方式是通過控制占空比的方式來滿足輸出所需要的電壓或電流。由于開關(guān) 電源會產(chǎn)生脈沖式的電壓和電流，所以這就需要用些儲能器件（電感或 電容）對這些脈沖波形進(jìn)行整形。和線性電源相反，開關(guān)電源

3、可以通過不 同的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)電流或電壓的降、升或者同時升降的功能。開關(guān)電源同樣 可以在寬的輸入或輸出范圍下實(shí)現(xiàn)高效率。在前面的例子中，用個降壓 型的開關(guān)電源取代線性電源后，當(dāng)輸入電壓由5v變到12v后，電路的效 率由95%變到98%。開關(guān)電源在效率和結(jié)構(gòu)的靈活性上得到了很大的提升，但由于周 期性的開關(guān)造成了噪聲的增加，同時由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜使得電路的可靠性下 降和成本的上升。恒流型led電路可以被簡單的認(rèn)為是一個恒流源。拓 撲結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)該考慮最少的外部原件和最好的性能為標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以提 高電路的穩(wěn)定性和減少成本。鑒于led的動態(tài)調(diào)光特性好，在設(shè)計的時 候要考慮使這種特性能夠方便應(yīng)用。幸運(yùn)的是，基本

4、降壓開關(guān)電路在實(shí)現(xiàn) 這些特性的時候表現(xiàn)的非常好，所以led驅(qū)動一般選擇降壓型開關(guān)電源。恒流輸出級開關(guān)調(diào)整器最常用的是電壓調(diào)整器。圖ia為一種基本恒壓型降壓 調(diào)整器。降壓控制器可以在輸入電壓變化的情況下，通過控制占空比或頻 率的變化使輸出電壓保持恒定。輸出所需的電壓由下面的公式計算得到 (eq. 1)% =電 % + r卿vinfi3atebasic buck controllergndfb圖la：基本降壓型電壓調(diào)整器電感l(wèi)h1來設(shè)置電感電流紋波的峰-峰值aipp的大小，電容co 用來設(shè)置輸出電壓紋波和輸出電壓的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。在這種降壓型逆變器 中電感的平均電流等于負(fù)載電流，因此我們可以通過控制

5、電感電流紋波的 峰-峰值來控制負(fù)載電流。這樣可以使電壓源控制的方式轉(zhuǎn)換成電流源控 制的方式。圖lb為一種基本電流型降壓調(diào)整器。與恒壓型相似，恒流型 降壓調(diào)整器可以在輸入電壓變化的情況下，通過控制占空比或頻率的變化 使輸出電流if保持恒定。輸出所需的電流由下面的公式計算得到(eq. 2)：vinngatebasic buck controllergndfbt丄 tix-l 嘰covo圖lb:基本電流型降壓調(diào)整器在我們設(shè)定好led電流if之后，我們必須準(zhǔn)確的檢測電感上的 電流。從理論上來說，檢測電感電流有很多方式，例如利h1m0sfet的 導(dǎo)通阻抗rdson檢測或者用電感的直流電阻檢測。但是實(shí)際上

6、這些檢測 方式在精度上不能滿足led電流設(shè)置的要求（高亮度led的精度為 5%-15%）。如果直接用電阻rfb來檢測if,這樣在精度上就可以滿足耍 求，但是在電阻上將會產(chǎn)生額外的功耗。降低反饋電壓vfb,在同樣的檢 測電流if （圖 2）的情況下可以降低檢測電阻的阻值，這樣就可以使功耗降 到最低。最新的led驅(qū)動大多數(shù)提供的參考電壓（反饋電壓）在50-200毫 伏之間。恒流降壓調(diào)整器獨(dú)特之處在于輸出可以不需耍電容。因?yàn)橛羞B續(xù) 的輸出電流和不存在負(fù)載瞬態(tài)變化，這個調(diào)整器中輸出電容的作用只是局 限于電流濾波器。當(dāng)我們設(shè)置成沒有電容的恒流型降壓調(diào)整器時，此時輸 出阻抗將大幅增加，而對于升壓型來說，由

7、于輸出阻抗增加，為了滿足輸 出電流恒定，輸出電壓也將會大幅增加。結(jié)果調(diào)光的速度和調(diào)光的范圍都 有了顯著的提高。在應(yīng)用過程中，從背光和機(jī)器視覺角度來說調(diào)光的范圍 是一種非常有價值的特性。在另一方面，由于輸出電容不足，ac電流的紋波電路需要比較大 的電感，以滿足led紋波的要求（正向電流aif = ±5到20%）o在同樣的 電流紋波吋，大電感會增加面積和led驅(qū)動的成本。因此在恒流降壓電 路中，輸出電容的使用耍在成本、面積和調(diào)光的速度、范圍之間經(jīng)行權(quán)衡。例如，用紋波電流驅(qū)動一個1a的白光led(vf = 35v), mf需 耍滿足±5%范圍內(nèi)，輸入電壓12v,頻率為500khz

8、,在電感電流幅度為 1.1a時，只能允許使用5omh的電感。然而如呆電感的紋波電流允許增 加±30%,那么電感將會小于lomho如果iomh和somh電感在使用相 同的材料和相同的額定電流的情況下，在成本和體積方面，iomh大概只 是5omh的一半。為了用iomh電感實(shí)現(xiàn)需求的厶if (±5 %),輸出電容 需耍根據(jù)led的動態(tài)電阻rd和檢測電阻rfb和在此開關(guān)頻率下電容的 阻抗來計算，可以利用下面的表達(dá)式(eq. 3):，2x7txf x(zc-esr)環(huán)路控制結(jié)構(gòu)基于降壓的結(jié)構(gòu)可以與很多環(huán)路控制結(jié)構(gòu)很好的匹配，而且不用 考慮穩(wěn)定性的限制，例如右半平面零點(diǎn)問題。除了和其他

9、調(diào)光方法兼容以 外，這種降壓結(jié)構(gòu)使得pwm調(diào)光變得容易?；谶@種結(jié)構(gòu)的led驅(qū)動 可以使系統(tǒng)設(shè)計人員提供更多的選擇。滯回控制非常適合在開關(guān)頻率變化 比較快和輸入范圍比較小的情況下應(yīng)用，例如白紙燈泡和交通燈。由于滯 回控制不用考慮穩(wěn)定性限制，所以不需要考慮環(huán)路補(bǔ)償。不像環(huán)路控制那 樣受帶寬限制。利用滯回控制驅(qū)動降壓led驅(qū)動(圖.2a)使設(shè)計變得簡單, 也減少了器件數(shù)量和成本。這種結(jié)構(gòu)也使pwm調(diào)光的范圍比其他結(jié)構(gòu)好。利用滯回控制的led驅(qū)動非常適合在要求調(diào)光范圍非常大和調(diào)光頻率比 較高以及開關(guān)頻率變化非常大的情況下應(yīng)用。圖2a：基本的滯冋控制降壓驅(qū)動類似的滯回降壓led驅(qū)動可以在固定頻率操作和

10、不需要開關(guān)頻 率變化的滯回控制之間提供了一個比較好的折中方案?？刂崎_啟時間的降 壓led驅(qū)動（圖2b）使用了一個滯回比較器和開啟時間控制器。讓開啟時 間與輸入電壓成反比，這樣可以讓開關(guān)頻率的變化減少的最小。運(yùn)用這種 結(jié)構(gòu)同樣可以避免環(huán)路控制的帶寬限制。運(yùn)用不同的調(diào)光結(jié)構(gòu)可以讓調(diào)光 范圍變得非常寬。圖2b：開啟時間控制的降壓led驅(qū)動在一些情況下，例如許多自動控制應(yīng)用中，led驅(qū)動與外部時鐘 或與驅(qū)動之間進(jìn)行同步吋要求減少噪音的于擾。在沒有吋鐘的滯回控制和 準(zhǔn)滯回控制的結(jié)構(gòu)在執(zhí)行同步頻率時會帶來困難。相比來說，這個問題對 于由時鐘控制的調(diào)整器來說就比較容易實(shí)現(xiàn)，例如圖2c中固定頻率的降 壓led驅(qū)動。固定頻率控制可以解決這個復(fù)雜的問題，但是由于它動態(tài) 響應(yīng)的限制也影響了調(diào)光的范圍。圖2c：基本的固定頻率的降壓led驅(qū)動總之，降壓led驅(qū)動的很多特點(diǎn)使其變得很有吸引力。它可以很 容易設(shè)置成電流源，也可以實(shí)現(xiàn)最少的外圍元器件，器件少可以使得設(shè)計 變得簡單，提高驅(qū)動的穩(wěn)定性，也可以減少成本。降壓結(jié)構(gòu)的led適合 很多種控制方式使其應(yīng)用的靈活性比較高。它輸出可以省略輸出電容，也 可以與其他不同的調(diào)光方式進(jìn)行很好的匹配，這些特點(diǎn)可以允許它在高速 調(diào)光和寬范圍調(diào)光的情況下應(yīng)用。當(dāng)應(yīng)用允許的情況下，所有的這些特點(diǎn) 使得降壓led驅(qū)動的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有了很多的選擇。什么樣的應(yīng)用條件不允許使用這種結(jié)