淺談如何借用SEPIC電路拓?fù)涓纳芁ED系統(tǒng)性能

　　無(wú)論是近幾年內(nèi)或未來(lái)，發(fā)光二極體（LED）照明都是具有高度商業(yè)市場(chǎng)潛力的明星級(jí)應(yīng)用，而驅(qū)動(dòng)高亮度的LED已成為高度討論的熱門(mén)議題。對(duì)于超過(guò)一顆以上的LED應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可以利用串聯(lián)多顆LED而形成LED燈串，如果LED數(shù)目進(jìn)一步增加，還可以使用多組的LED燈串。

　　一般而言，驅(qū)動(dòng)多組LED燈串較常見(jiàn)的方法是同時(shí)使用電源整流器和線性電流調(diào)節(jié)器，依據(jù)燈串上串聯(lián)的LED數(shù)量有關(guān)的輸入電壓和輸出電壓，決定使用降壓或是升壓電路拓?fù)洹Ｈ欢?，如果輸入電壓與輸出電壓的值相近，上述的兩種電路拓?fù)浔悴贿m用。本文將介紹解決此問(wèn)題的單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）電路拓?fù)?，并利用此拓?fù)浼夹g(shù)設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用範(fàn)例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

　　驅(qū)動(dòng)器依據(jù)調(diào)光頻率　調(diào)整LED電流

　　LED驅(qū)動(dòng)器的主要功能是控制流經(jīng)LED的電流為一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，以ILED表示，ILED的數(shù)值大小與LED的顏色有關(guān)而且視LED而定，如果須要進(jìn)行調(diào)光，通常會(huì)採(cǎi)用脈衝寬度調(diào)變（PWM）調(diào)光控制，也就是驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該依照調(diào)光頻率來(lái)控制LED電流為ILED或0，調(diào)光頻率一般介于200Hz～1kHz的範(fàn)圍內(nèi)。

　　圖1所示為具有k串LED的LED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)模型圖。LED驅(qū)動(dòng)器由電源整流器和k個(gè)線性電流調(diào)節(jié)器組成。電源整流器的輸入電壓和輸出電壓分別用VIN和VOUT表示，每一LED燈串有n顆LED。每一個(gè)LED串的壓降為VLEDi，其中i的值從1～k。VLEDi為每一個(gè)LED順向電壓（VFij）的總和，其中j的值從1～n，因此得出下列方程式1：

　　方程式1

　　每一個(gè)LED串連接于電源整流器的輸出和線性電流調(diào)節(jié)器（用以控制LED電流）之間，每一線性電流調(diào)節(jié)器的壓降用VCSi表示。

　　電源整流器電路拓?fù)涫茈妷褐鲗?dǎo)

　　輸入電壓和輸出電壓將主導(dǎo)電源整流器的電路拓?fù)?，輸出電壓必須高于LED燈串最大壓降（Voltage Drop）與線性電流調(diào)節(jié)器中壓降的總和，亦即方程式2

　　首先，VLEDi為VFij的函數(shù)，VFij代表LED的順向電壓。每一個(gè)LED的順向電壓具有容限範(fàn)圍，并且與溫度相關(guān)。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)LED溫度上升時(shí)，VFij值一般會(huì)減少，當(dāng)LED開(kāi)啟時(shí)，可以計(jì)算出溫度上升值。如果LED的ILED值為0.35安培時(shí)，VFij的典型值和容限範(fàn)圍分別為3.2伏特和 ±10%。

　　其次，VCSi和回饋訊號(hào)的功率相關(guān)，VCSi值應(yīng)該要大到能夠維持回饋訊號(hào)的良好雜訊比。線性電流調(diào)節(jié)器也須要有配合適當(dāng)偏壓的最小電壓。然而為使效能最佳化，須要盡量將VCSi值最小化，因?yàn)閕th線性電流調(diào)節(jié)器的功率損耗數(shù)值為VCSi&TImes;ILED，是相當(dāng)大的功率。由于ILED是固定值，因此功率損耗的大小就由VCSi決定，而VCSi與VOUT有關(guān)，可以用方程式3表示：

　　以一個(gè)實(shí)際的範(fàn)例來(lái)說(shuō)明，我們現(xiàn)在要驅(qū)動(dòng)叁個(gè)LED燈串，每一個(gè)燈串具有四顆LED，VLEDi額定值為12.8伏特，每一燈串的ILED額定值為0.35安培?？紤]到VLEDi的容限範(fàn)圍以及VCSi所需的最小壓降，這個(gè)範(fàn)例中的VOUT典型設(shè)計(jì)值應(yīng)該為15伏特。如果使用常見(jiàn)的可充電電池，額定電壓為12伏特，電池電壓的改變可以從10伏特（電力幾乎用完）到14伏特（電力充飽），而當(dāng)電池充飽電力時(shí)，電壓值接近VOUT。假設(shè)使用升壓整流器以便獲得15伏特的VOUT，如果VIN靠近上限（當(dāng)VIN為14伏特時(shí)，工作週期比為6.7%），我們只需要較低的工作週期比。但事實(shí)上低工作週期比可能無(wú)法達(dá)成，因?yàn)槎鄶?shù)的控制器掌握工作週期比或工作時(shí)間的下限，這種情況下必須調(diào)高VOUT值，其結(jié)果是線性電流調(diào)節(jié)器的功率損耗增加，進(jìn)而使得整體效能下降。另外一個(gè)可行的解決方案就是降低切換頻率以去除工作時(shí)間的下限。然而，低切換頻率將增加電感電流漣波，這代表需要較大且更昂貴的電感器。

　　對(duì)于上述的應(yīng)用而言，最佳的電源整流器電路拓?fù)錇镾EPIC，這是因?yàn)镾EPIC整流器的輸入電壓可高于或低于輸出電壓。SEPIC整流器的其他優(yōu)勢(shì)還包括使用低端開(kāi)關(guān)（讓開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器容易實(shí)現(xiàn)）而且輸出電壓為非反相電壓。

　　LED驅(qū)動(dòng)器具SEPIC　有助效能提升

　　圖2所示為採(cǎi)用SEPIC電路拓的電源整流器撲、線性電流調(diào)節(jié)器和控制器IC（LM3431）所組成的LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖。SEPIC整流器的主要元件包括兩個(gè)電感器L1、L2、兩個(gè)電容器CS、C8、MOSFET Q1和二極體D1。當(dāng)Q1開(kāi)啟時(shí)，L1和L2分別藉由VIN和VCS（經(jīng)過(guò)CS的電壓）進(jìn)行充電，同時(shí)藉由IL2（L2的電感電流）和輸出電流（整體LED電流）使CS和C8進(jìn)行放電。當(dāng)Q1關(guān)閉時(shí)，L1和L2放電，而CS和C8進(jìn)行充電。以下列出穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的一些基本方程式。 輸入電流等于IL1，為電感器L1的電流值。由于有叁個(gè)LED燈串，所以輸出電流為3ILED，IL1和IL2可用下列方程式4計(jì)算出來(lái)：

　　D表示工作週期，TSW為切換週期，ton為Q1的工作時(shí)間，IL1，ripple和IL2，ripple為L(zhǎng)1和L2的電感器電流漣波，方程式5如下：

　　在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，VIN = VCS，所以可以將L2的電感器電流漣波以下列方程式6表示：

　　為維持連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）操作，即便在VIN為最高值時(shí)，L1和L2應(yīng)該要夠大，以確保電感器電流大于電感器電流漣波的一半。範(fàn)例中，切換頻率為700kHz，切換週期為1.43μs，在VIN為最高值14伏特時(shí)，VOUT和ILED分別為15伏特和0.35安培，可得出以下數(shù)值：

　　為維持CCM操作，IL1，ripple和IL2，ripple最大值應(yīng)分別為2.25安培（IL1&TImes;2）和2.1安培（IL2&TImes;2）L1和L2的最小值分別為4.6μH和4.9μH。因電感器的容限範(fàn)圍可高達(dá)30%，所以L1和L2的選擇可以為7μH （4.9μH÷0.7）。

　　以IQ1，peak和ID1，peak分別表示Q1和D1的峰值電流，方程式7、8如下：

　　Q1和D1的元件應(yīng)該能夠處理峰值電流，峰值電流的最大值往往發(fā)生在VIN最低值時(shí)，在這個(gè)範(fàn)例中，當(dāng)VIN為10伏特時(shí)，L1和L1兩者為7μH，相關(guān)數(shù)值如下：

　　線性電流調(diào)節(jié)器包含電流感測(cè)電阻、功率電晶體和放大器（內(nèi)嵌于控制器IC中）。放大器的輸出控制功率電晶體（2N2222），再控制LED燈串的電流為0.35安培，電流藉1歐姆（Ω）電阻而感測(cè)。感測(cè)訊號(hào)回饋到放大器的輸入，以便與參考電壓0.35伏特進(jìn)行比較。0.35伏特是藉由R7和R8形成的電阻分壓器電路，將內(nèi)部參考電壓從2.5伏特降壓分壓而成。