驅(qū)動大功率LED之道

摘要： 本文將討論對驅(qū)動新型LED的恒定電流源(而不是電壓源)的要求，并介紹驅(qū)動高亮度LED的各種方法。本文將介紹LED可采用的不同拓?fù)浜团渲茫约坝瞄_關(guān)穩(wěn)壓器和控制器驅(qū)動LED的方法，并討論降壓和升壓拓?fù)湟约斑@兩種設(shè)計之間的折衷策略，同時還會介紹參考設(shè)計以及驅(qū)動這些大功率LED的幾種解決方案。

關(guān)鍵詞： 發(fā)光二極管(LED);高亮度LED(HB LED);正向電流(IF)降壓;升壓

簡介

自上世紀(jì)60年代初問世以來，發(fā)光二極管(LED)已被用于許多半導(dǎo)體器件。從第一個LED問世到現(xiàn)在，LED技術(shù)已經(jīng)取得了很大的技術(shù)進(jìn)步。氮化鎵(InGaN)和銦鎵磷化鋁(InGaAlP)的使用創(chuàng)造了更多各種各樣的顏色(特別是采用InGaN工藝，通過紫外線發(fā)出的藍(lán)光)，通過LED技術(shù)多彩的LED產(chǎn)品得以問世。此外，由于發(fā)光效率、光通量及功耗的改進(jìn)，這些新的半導(dǎo)體材料能夠產(chǎn)生更亮的光。過去大多數(shù)LED都是由5mA~20mA的電流驅(qū)動的，而現(xiàn)在一些制造商生產(chǎn)的HB LED是由1A甚至更大的連續(xù)電流驅(qū)動的。

過去從設(shè)計角度看，在操作小電流LED時，采用電阻器或線性穩(wěn)壓器提供驅(qū)動LED所需的電流是可以接受的。在這種小電流解決方案中，功耗是最小的，而且這種技術(shù)對于驅(qū)動許多應(yīng)用中的LED來說足夠了。隨著更新一代HB LED所需的驅(qū)動電流(IF)的增加，要更多地考慮到LED本身和電流驅(qū)動電路的散熱管理和功耗問題。除了上述原因外，LED也需要更大穩(wěn)流來保持顏色、亮度和使用時間，因此現(xiàn)在逐漸采用開關(guān)穩(wěn)壓器和控制器來提供驅(qū)動HB LED所需的恒定電流。本文將介紹LED可以采用的不同拓?fù)浜团渲茫约坝瞄_關(guān)穩(wěn)壓器和控制器驅(qū)動LED的方法。

LED配置/拓?fù)?/p>

在驅(qū)動LED時有四種基本配置。選擇最理想的拓?fù)浜团渲猛ǔＨQ于應(yīng)用以及技術(shù)規(guī)范和系統(tǒng)要求。設(shè)計人員需要考慮輸入電壓、要驅(qū)動的LED的數(shù)量、尺寸/布局限制、效率、散熱管理以及光學(xué)等問題。第一種，也是最基本的一種拓?fù)涫菃蝹€LED。采用這種設(shè)計的應(yīng)用實例有汽車內(nèi)頂燈(地圖燈，閱讀燈)。

第二種，可以用串聯(lián)方式驅(qū)動LED。因為經(jīng)過所有LED的驅(qū)動電流都是相同的(假設(shè)LED被適當(dāng)?shù)姆謾n)，這種配置可以保證顏色和亮度達(dá)到最接近的匹配度。在這種情況下，必須注意整個串聯(lián)串中的輸入電壓以及它和正向電壓降(VF)之間的關(guān)系。這將決定將被用于驅(qū)動LED的功率拓?fù)洌挛膶懻撨@個問題。這方面的應(yīng)用實例包括閃光燈和汽車尾燈/剎車燈。

驅(qū)動LED的第三種配置是以并聯(lián)方式驅(qū)動。在這種配置中，可以以大于單個LED的最大正向電壓的輸入電壓驅(qū)動許多個LED。再次聲明，LED的分檔是非常重要的，因為在并聯(lián)配置中，由于LED之間的VF不同，色彩和/或亮度之間不匹配的可能性非常大。如圖1所示，LED是并聯(lián)連接的器件，電流和電壓(I-V)之間的曲線急劇上升，因此，即使是電壓發(fā)生很小的變化，用電壓源驅(qū)動LED也會使正向電流的擺幅很大。

圖1 驅(qū)動LED過程中的正向電壓 v 電流

最后一種驅(qū)動LED的配置是將并聯(lián)LED串以串聯(lián)方式連接。這種配置對于驅(qū)動多個LED來說比較適合，但是只有一個LED串有恒定電流。二極管的電壓調(diào)節(jié)次級串的電流，串聯(lián)鎮(zhèn)流電阻器通常用于進(jìn)一步減小由VF不匹配造成的影響。此外，LED的累積VF不匹配度很可能會使從一個串到另一個串的亮度也不匹配。這種技術(shù)用于驅(qū)動一些顯示器的小電流白色LED背光燈。這種配置的不同之處是串并聯(lián)連接，在這種配置中，整個陣列(將整個陣列視為二端元件)的電流都是穩(wěn)定的，并且假設(shè)各個支路會分享相等的電流。這種配置在汽車剎車燈/尾燈/轉(zhuǎn)向燈中已經(jīng)獲得應(yīng)用。LED封裝中會包含若干個晶粒，但是，當(dāng)從一個集中源產(chǎn)生大量光通量時，只有兩個連接被證明是有效的。

功率拓?fù)?/p>

不管類型、尺寸或功率如何，由恒流驅(qū)動的所有LED都會達(dá)到最佳工作狀態(tài)。以流明為單位測量的光輸出與電流成正比，因此，LED制造商說明的是在特定的正向電流IF 下器件的特征(例如，流明、波束圖和顏色)，而不是在特定的正向電壓VF 下的特征。如圖2所示。

圖2  亮度(光強度)和顏色(波長)v LED的正向電流

當(dāng)恒流源中要求高效和低功耗時，開關(guān)穩(wěn)壓器或控制器是驅(qū)動HB LED的最佳選擇。下文討論驅(qū)動LED的不同功率拓?fù)?。開關(guān)穩(wěn)壓器具有高效、能夠降低驅(qū)動LED的半導(dǎo)體的功耗以及減少向LED傳熱等優(yōu)勢。

降壓穩(wěn)壓器

當(dāng)整個串聯(lián)或串并聯(lián)串中的LED系統(tǒng)的輸入電壓大于最大的正向電壓降時，可選擇的最佳功率拓?fù)涫菢?biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器。降壓轉(zhuǎn)換器(如圖3a所示)由于帶有輸出感應(yīng)器，所以是驅(qū)動恒流的理想選擇。電感電流波紋DiL在降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計中是一個已知的、受控制的量。在三種標(biāo)準(zhǔn)DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?降壓、升壓和降壓-升壓)中，只有降壓轉(zhuǎn)換器有與LED驅(qū)動中的平均負(fù)荷電流或IF 相等的平均電感電流。不管采用哪種控制方法，事實上，輸出電流不會在開關(guān)循環(huán)的任何部分中發(fā)生瞬態(tài)變化，這使得恒定電壓源向恒定電流源的轉(zhuǎn)換變得更加容易。再說詳細(xì)一些，許多基于降壓轉(zhuǎn)換器的恒流電路都可以在沒有輸出電容的情況下運行。

圖3a：帶有輸出電容的降壓穩(wěn)壓器
圖3b: 不帶輸出電容的降壓穩(wěn)壓器

在帶有穩(wěn)壓器的電路中，采用開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計電流源有兩大標(biāo)準(zhǔn)：輸出電流(DiL)的平均精確度以及DC組件頂部的波紋或AC電流。平均輸出電流的公差取決于電流傳感電路(包括電流傳感電阻)的精確度和IC內(nèi)部參考電壓的精確度。LED波紋電流取決于輸入電壓、輸出電壓、開關(guān)頻率，以及感應(yīng)系數(shù)。

在以非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)運行的電路中，可以對輸出電流進(jìn)行控制。當(dāng)電路以連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)—通過感應(yīng)器時，CCM始終保持正電流—運行時，降壓轉(zhuǎn)換器可以被很容易地辨別和感應(yīng)。在。由于感應(yīng)器與LED陣列分享相同的DC電流，而且保持通過所有LED的電流為恒流是首要目標(biāo)，因此，CCM操作是運行驅(qū)動恒流的降壓轉(zhuǎn)換器的首選方式。

升壓穩(wěn)壓器

當(dāng)LED系統(tǒng)的輸入電壓小于應(yīng)用中的整個串聯(lián)串的最小正向電壓降時，則需要一個升壓穩(wěn)壓器。在低功率應(yīng)用中，普遍采用的是開關(guān)電容升壓轉(zhuǎn)換器，但是，當(dāng)電流約為100mA或以上時，它們的效率會迅速下降。感應(yīng)升壓穩(wěn)壓器也需要一部分輸入電壓并提供更高的輸出電壓，用感應(yīng)器作為能量存儲元件在高增壓比(在這里，VO 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于VIN)和1至10安培的輸出電流范圍內(nèi)可以提供高效率。在所有開關(guān)電源拓?fù)渲校挥薪祲悍€(wěn)壓器更有效。這是因為只有降壓-升壓穩(wěn)壓器在它們的開關(guān)循環(huán)的一部分中將輸入電壓與輸出端連接起來。

圖4給出用于驅(qū)動一個LED陣列的典型升壓穩(wěn)壓器的電路圖。如圖3a和3b所示的降壓電路，以前允許在輸出電流中動態(tài)移動的同時調(diào)節(jié)輸出電壓的系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)換為允許在輸出電壓中動態(tài)移動的同時保持輸出電流的系統(tǒng)。

圖4  采用美國國家半導(dǎo)體的LM5020的典型升壓LED驅(qū)動

升壓轉(zhuǎn)換器的一個缺點是，當(dāng)穩(wěn)壓器被禁用時，不能在輸出端提供真正的關(guān)斷。在輸出端一直能看到最小電壓(VIN-VD)，除非該電路用控制開關(guān)替代輸出二極管。采用升壓轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)設(shè)計人員必須小心控制輸入電壓的瞬變，這偶爾會正向偏置LED陣列。允許不受控制的電流流過LED，會導(dǎo)致LED過熱，這對于任何類型的LED來說都是主要故障。

另一種區(qū)分升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器差別的方法是升壓穩(wěn)壓器需要一個輸出電容。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，電感未與LED串連接，輸出電容會提供電流，以保持IF的正確平均輸出水平和理想的波紋電流(DIF)量。幸運的是，電容量一般都非常低(典型值為1mF~10mF)，而不是典型的升壓穩(wěn)壓器中的100微法拉。

當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，升壓轉(zhuǎn)換器將能量直接引入它們的存儲元件(電感)中。能量由輸出電容提供給負(fù)荷電容器，然后，負(fù)荷電容器和輸出電容器在開關(guān)關(guān)閉時進(jìn)行充電。開關(guān)占空比D與從輸入端到輸出端傳輸?shù)哪芰恐g的間接關(guān)系致使出現(xiàn)一種名為右半平面零點(RHPZ)的現(xiàn)象。這表明在校正輸入電流(針對穩(wěn)壓器)或輸出電壓(針對穩(wěn)流器)上發(fā)生的變化之前，系統(tǒng)暫時向相反方向移動的趨勢。在所有拓?fù)?除降壓穩(wěn)壓器以外)中都可以發(fā)現(xiàn)RHP零點，它們使得升壓穩(wěn)壓器的控制環(huán)路的設(shè)計更加困難。PWM調(diào)光部分會解釋為什么需要可以快速地從它們的“關(guān)閉”狀態(tài)轉(zhuǎn)向目標(biāo)輸出電流的轉(zhuǎn)換器。RHP零點，結(jié)合阻止VO發(fā)生變化的輸出電容使得升壓轉(zhuǎn)換器在響應(yīng)PWM調(diào)光的速度上要比降壓轉(zhuǎn)換器慢。

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

當(dāng)LED系統(tǒng)(即整個串聯(lián)串的總正向電壓降)的輸出電壓既可能大于，也可能小于應(yīng)用中的輸入電壓時，就必須采用降壓-升壓穩(wěn)壓器?，F(xiàn)有的各種拓?fù)涠伎梢陨吆徒档洼斎腚妷骸Ｗ钇毡榈氖腔貟咿D(zhuǎn)換器、SEPIC(單端初級電感轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換器和Cuk穩(wěn)壓器。VO 可以比VIN 高或低，在極性上可與VIN相同或相反。每種拓?fù)涠加歇毺氐膬?yōu)勢，但是，所有拓?fù)涞男识急冉祲?升壓穩(wěn)壓器低，因為它們都采用電感或電容作為中間能量存儲元件。

單電感降壓-升壓穩(wěn)壓器采用浮動開關(guān)，如降壓穩(wěn)壓器，許多降壓穩(wěn)壓器和控制器都可以用于設(shè)計單感應(yīng)式降壓-升壓穩(wěn)壓器。在各種升/降壓拓?fù)渲校@種拓?fù)洳捎玫牧悴考?shù)量最少。單電感降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的主要缺點是輸出電壓的極性是反向的。對于許多穩(wěn)流器來說，只要電流感測電路正確地設(shè)計為控制器或穩(wěn)壓器IC，這就不是問題。采用降壓穩(wěn)壓器或控制器時的另一種技術(shù)是將整個電路設(shè)計為負(fù)輸出量(圖5)。這種技術(shù)解決了電流感測的參照問題，但沒有解決PWM調(diào)光信號的參照問題。

頻率和開關(guān)頻率之間發(fā)生交互。輸入電壓的PWM或使能管腳可使開關(guān)穩(wěn)壓器發(fā)生振蕩?；镜囊?guī)則是保持開關(guān)頻率至少高出PWM頻率兩個數(shù)量級將會消除這種交互。

驅(qū)動LED的須知事項

除了在驅(qū)動LED時可選擇的各種功拓?fù)湟酝?，還要考慮到一些其它的須知事項。LED系統(tǒng)設(shè)計者必須意識到對穿過LED的短路或系統(tǒng)中的開路LED故障采取必要的保護(hù)措施。配置為恒流源的開關(guān)穩(wěn)壓器在處理穿過LED陣列的短路上沒有問題，但是，如果LED作為開路發(fā)生故障，則會將它們的輸出電壓驅(qū)動至系統(tǒng)限額。開路故障在HB LED中更加普遍，故障源于在過電流或熱過載期間，捆綁電線有斷裂的趨勢。如果是降壓穩(wěn)壓器，輸出電壓可以上升到和輸入電壓一樣高，是占空比限額的幾倍。由于許多基于降壓穩(wěn)壓器的電流源采用很小的輸出電容或不采用輸出電容，因此，用戶可以選擇限定輸出電路來處理最大輸入電壓，并且只需在開路條件下使輸出電壓上升即可。在這種情況下，電流由很小變?yōu)闆]有，因此，熱應(yīng)力出現(xiàn)的機會很小。

如果是升壓轉(zhuǎn)換器和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，開路系統(tǒng)的輸出電壓是未定義的，而且可以超出穩(wěn)壓器IC、功率半導(dǎo)體，以及輸出濾波器的額定電壓。防止輸出電壓失控的一種簡單的方法是在輸出端到反饋輸入端之間放置一個齊納二極管，利用在許多開關(guān)穩(wěn)壓器上都可以找到的過電壓比較器。

此外，LED系統(tǒng)設(shè)計者應(yīng)注意驅(qū)動高亮度LED帶來的散熱管理問題。雖然在本文中沒有討論這一話題，但是作者希望設(shè)計人員意識到設(shè)計和HB LED應(yīng)用中的散熱問題。

結(jié)語

隨著照明世界逐漸向LED過渡，要驅(qū)動新型高亮度LED必須有足夠的電子器件來提供電能。我們已經(jīng)介紹了在一個系統(tǒng)中配置LED的一些基本方法以及可以用于驅(qū)動LED的可能的功率拓?fù)?。對于LED配置以及功率拓?fù)涞奶囟ń鉀Q方案取決于應(yīng)用限制、系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范和設(shè)計者的偏好。本文還提醒設(shè)計者 ：在設(shè)計LED驅(qū)動系統(tǒng)的過程中應(yīng)該意識到的潛在危險。我們只有采用正確的設(shè)計指導(dǎo)方能實現(xiàn)—LED點亮全世界—這一承諾。