借用全新脈沖電平調(diào)變技術(shù)提升高亮度LED發(fā)光效率

　　相較于白熾燈泡，高亮度發(fā)光二極管（HB LED）能提供更佳的效能及更好的穩(wěn)定性，尤其現(xiàn)今全球籠罩在能源危機的陰影下，人類對高亮度LED的重視程度也日益升高。高亮度LED與白熾燈泡不同，因為亮度與色溫都與LED的順向電流有關(guān)，因此，高亮度LED需要準確及穩(wěn)定的電流驅(qū)動，以維持穩(wěn)定的光線輸出。這個基本的要求對進行設(shè)計的工程人員來說仍是一大挑戰(zhàn)。

　　此外，高亮度LED的驅(qū)動電流範圍非常廣泛，可由0.35安培至最高的10安培以上，因此必須提高整體的功率效能，否則高亮度LED難以廣泛應(yīng)用。本文將逐步解析這類功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計步驟，并且示範如何使用這個電路來驅(qū)動0.35安培的高亮度LED燈串。

　　從功率轉(zhuǎn)換的效率來看，開關(guān)式電源供應(yīng)器（SMPS）絕對比線性穩(wěn)壓器具備更大的優(yōu)勢。在眾多適用于SMPS拓撲方法中，我們會依據(jù)可用的輸入電源供應(yīng)及需要驅(qū)動的高亮度LED數(shù)量選擇最適當?shù)耐負?。本文將討論非隔離式降壓開關(guān)式電源供應(yīng)器的降壓轉(zhuǎn)換器廣泛性和簡易性。

　　首先，針對這種應(yīng)用挑選了一個內(nèi)建降壓轉(zhuǎn)換器最經(jīng)濟實惠的拓撲方案，然后針對這個轉(zhuǎn)換器進行調(diào)變，以改善系統(tǒng)的耐用性和功率效能。最后，再將全新的脈衝電平調(diào)變（PLM）控制方法搭配已強化的轉(zhuǎn)換器，希望藉此把塬本犧牲的電流穩(wěn)壓準確性再重新提高。而最后一個步驟，則是進行電路的實際測試以驗證它的功效。

　　浮動降壓拓撲 有助簡易閘極驅(qū)動電路設(shè)計

　　圖1所示為用于驅(qū)動高亮度LED的各種不同非隔離式降壓轉(zhuǎn)換器拓撲，其中圖1（a）和（b）為兩種典型的降壓拓撲方法，而圖1（c）和（d）則屬于浮動降壓拓撲。一般來說，由于N-MOSFET（N-FET）的Rds|on比P-MOSFET（P-FET）來得低，因此圖1（a）和（c）中的降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)一般被視為擁有更佳的功率效能。設(shè)計工程人員在採用降壓轉(zhuǎn)換器時，大多傾向採用圖1（a）和（c）中的降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，而不是圖1（b）和（d）中的電路。圖1（a）在驅(qū)動高階N-FET方面比圖1（c）驅(qū)動低階N-FET的更加復(fù)雜，塬因是圖1（a）採用了自Bootstrapping 閘極驅(qū)動技術(shù)，除了圖中所示的閘極驅(qū)動電壓電源Vcc以外，該電路還包括一個整流二極管和一個飛輪電容器。相同的情況也可應(yīng)用到圖1（d）和圖1（b）。對于比較簡易的閘極驅(qū)動電路設(shè)計而言，採用圖1（c）的降壓轉(zhuǎn)換器拓撲會比圖1（a）更好，這也是採用具備低端N-FET的浮動降壓轉(zhuǎn)換器的塬因。

　　圖1　適用于驅(qū)動高亮度LED的降壓轉(zhuǎn)換器，其電源開關(guān)技術(shù)分別採用（a）高階N-FET、（b）高階P-FET、（c）低階 N-FET、（d）低階 P-FET

　　藉由準確性折衷以提高LED效率

　　圖2中的浮動降壓轉(zhuǎn)換器用來驅(qū)動一條多燈串的遠距離高亮度LED陣列，在既有的系統(tǒng)中，無論是基于散熱、不利的作業(yè)環(huán)境、維修的便利或是模組更換的問題，大部分的控制器都與LED分開，典型的例子包括大型戶外商業(yè)電子看板和建筑物外墻燈飾等。將電流感測電阻器RISNS放置在主要的電源開關(guān)下面，就可以更有利于採用低端電流感測，如此就可將線路的數(shù)量減少接近一半。更重要的是更短的電流感測線路可防止LED的電流穩(wěn)壓受到電磁干擾。

　　在圖2（b）的系統(tǒng)中，由于重新設(shè)計了RISNS的位置，使其功率效能相對于圖2（a）改善不少。此外，基于低階N-FET和圖2（b）中的RISNS只會在週期的上斜坡部分傳導電感電流，而圖2（a）中的RISNS則可覆蓋電感器電流的整個週期，因此圖2（b）RISNS的功率損耗是圖2（a）RISNS的功率損耗乘以開關(guān)工作週期，而這個工作週期的數(shù)值通常低于1。所以圖2（b）中的RISNS功率損耗會降低了一個開關(guān)週期因數(shù)，而節(jié)省的功率P可以用下列的方程式表示：

　　圖2　用于驅(qū)動多條遠距離高亮度LED燈串的降壓轉(zhuǎn)換器，所採用的技術(shù)分別為（a）高端電流感測電阻器（遠距線路數(shù)量為2N）、（b）高端電流感測電阻器（遠距線路數(shù)量為N+1）

　　在方程式中的RISNS是電流感測電阻器，D 是工作週期，Ipeak是電感器電流的峰值，L是電感值，T是開關(guān)週期時間，而Vout則是輸出電壓。圖2（b）採用傳統(tǒng)的控制方法調(diào)節(jié)峰值的電流，儘管採用較大的電感值可使調(diào)節(jié)的峰值電流與系統(tǒng)實際上的平均電流更為接近，但這種做法欠缺完整的思慮，而且也很容易受到線路電壓和元件數(shù)值變化的影響。

　　PLM解決LED燈串平均電流調(diào)節(jié)

　　配合重新配置感測電阻器RISNS的位置，浮動降壓轉(zhuǎn)換器可說是驅(qū)動高亮度LED最簡單的架構(gòu)，并且也是最耐用及功率效能最佳的系統(tǒng)解決方案。但是傳統(tǒng)的控制方法只能針對峰值電流進行調(diào)節(jié)，而不能為LED燈串提供實際的平均電流調(diào)節(jié)。為了解決這個問題，一個全新的控制方法--脈衝電平調(diào)變控制應(yīng)運而生。

　　圖3（a）所示為應(yīng)用在浮動降壓轉(zhuǎn)換器上的PLM架構(gòu)示意圖，而3（b）則表示PLM電路的主要波形。傳統(tǒng)的SMPS控制方法整合一個誤差放大器，它可以把相對于固定參考電壓的調(diào)節(jié)誤差降到最低。至于PLM方面，它把誤差放大器應(yīng)用在感測波形的時間積分VISNS（t）上，其中的調(diào)節(jié)是相對于參考波形的時間積分VRP（t）來進行。圖3（a）中的波形（v）表示PLM正在調(diào)節(jié)感測訊號的梯形脈衝鏈，當中的調(diào)節(jié)是相對于一個具備參考電平的方形波脈衝鏈來進行。由于兩者擁有相同的工作週期，梯形波斜率的中間點便與參考電平相同?；谏鲜鲋虚g點的線性特質(zhì)，平均電感器電流或是平均LED電流便會被調(diào)節(jié)到與參考電流相等。圖4所示為在圖3（a）封閉迴路作業(yè)中的調(diào)節(jié)過程。

　　圖3?。╝）為PLM浮動降壓轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)示意圖；（b）為PLM主要波形

　　圖4　封閉回路作業(yè)下VISNS和VRP波形