驅(qū)動(dòng)大功率LED之道

摘要： 本文將討論對(duì)驅(qū)動(dòng)新型LED的恒定電流源(而不是電壓源)的要求，并介紹驅(qū)動(dòng)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?，以及用開關(guān)穩(wěn)壓器和控制器驅(qū)動(dòng)LED的方法，并討論降壓和升壓拓?fù)湟约斑@兩種設(shè)計(jì)之間的折衷策略，同時(shí)還會(huì)介紹參考設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(gè)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(dòng)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(dòng)的。

過去從設(shè)計(jì)角度看，在操作小電流LED時(shí)，采用電阻器或線性穩(wěn)壓器提供驅(qū)動(dòng)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(duì)于驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流(IF)的增加，要更多地考慮到LED本身和電流驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)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?，以及用開關(guān)穩(wěn)壓器和控制器驅(qū)動(dòng)LED的方法。

LED配置/拓?fù)?/p>

在驅(qū)動(dòng)LED時(shí)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(jì)人員需要考慮輸入電壓、要驅(qū)動(dòng)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€(gè)LED。采用這種設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)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(dòng)LED。因?yàn)榻?jīng)過所有LED的驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)LED的功率拓?fù)?，下文將?huì)討論這個(gè)問題。這方面的應(yīng)用實(shí)例包括閃光燈和汽車尾燈/剎車燈。

驅(qū)動(dòng)LED的第三種配置是以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)。在這種配置中，可以以大于單個(gè)LED的最大正向電壓的輸入電壓驅(qū)動(dòng)許多個(gè)LED。再次聲明，LED的分檔是非常重要的，因?yàn)樵诓⒙?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(dòng)LED也會(huì)使正向電流的擺幅很大。

圖1 驅(qū)動(dòng)LED過程中的正向電壓 v 電流

最后一種驅(qū)動(dòng)LED的配置是將并聯(lián)LED串以串聯(lián)方式連接。這種配置對(duì)于驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED來說比較適合，但是只有一個(gè)LED串有恒定電流。二極管的電壓調(diào)節(jié)次級(jí)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(huì)使從一個(gè)串到另一個(gè)串的亮度也不匹配。這種技術(shù)用于驅(qū)動(dòng)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(gè)陣列(將整個(gè)陣列視為二端元件)的電流都是穩(wěn)定的，并且假設(shè)各個(gè)支路會(huì)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(huì)包含若干個(gè)晶粒，但是，當(dāng)從一個(gè)集中源產(chǎn)生大量光通量時(shí)，只有兩個(gè)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(dòng)的所有LED都會(huì)達(dá)到最佳工作狀態(tài)。以流明為單位測(cè)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(qiáng)度)和顏色(波長(zhǎng))v LED的正向電流

當(dāng)恒流源中要求高效和低功耗時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器或控制器是驅(qū)動(dòng)HB LED的最佳選擇。下文討論驅(qū)動(dòng)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(dòng)LED的半導(dǎo)體的功耗以及減少向LED傳熱等優(yōu)勢(shì)。

降壓穩(wěn)壓器

當(dāng)整個(gè)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(shí)，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(dòng)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(jì)中是一個(gè)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(dòng)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(shí)上，輸出電流不會(huì)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(yùn)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(jì)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(yùn)行的電路中，可以對(duì)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(shí)，CCM始終保持正電流—運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行驅(qū)動(dòng)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(gè)串聯(lián)串的最小正向電壓降時(shí)，則需要一個(gè)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(shí)，它們的效率會(huì)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(chǔ)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?yàn)橹挥薪祲?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(dòng)一個(gè)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(dòng)態(tài)移動(dòng)的同時(shí)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(dòng)態(tài)移動(dòng)的同時(shí)保持輸出電流的系統(tǒng)。

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

升壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)穩(wěn)壓器被禁用時(shí)，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(jì)人員必須小心控制輸入電壓的瞬變，這偶爾會(huì)正向偏置LED陣列。允許不受控制的電流流過LED，會(huì)導(dǎo)致LED過熱，這對(duì)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(gè)輸出電容。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感未與LED串連接，輸出電容會(huì)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(yùn)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(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器將能量直接引入它們的存儲(chǔ)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(shí)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(diǎn)(RHPZ)的現(xiàn)象。這表明在校正輸入電流(針對(duì)穩(wěn)壓器)或輸出電壓(針對(duì)穩(wěn)流器)上發(fā)生的變化之前，系統(tǒng)暫時(shí)向相反方向移動(dòng)的趨勢(shì)。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(diǎn)，它們使得升壓穩(wěn)壓器的控制環(huán)路的設(shè)計(jì)更加困難。PWM調(diào)光部分會(huì)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(diǎn)，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(gè)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(shí)，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?。最普遍的是回掃轉(zhuǎn)換器、SEPIC(單端初級(jí)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?dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是，所有拓?fù)涞男识急冉祲?升壓穩(wěn)壓器低，因?yàn)樗鼈兌疾捎秒姼谢螂娙葑鳛橹虚g能量存儲(chǔ)元件。

單電感降壓-升壓穩(wěn)壓器采用浮動(dòng)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(jì)單感應(yīng)式降壓-升壓穩(wěn)壓器。在各種升/降壓拓?fù)渲?，這種拓?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(diǎn)是輸出電壓的極性是反向的。對(duì)于許多穩(wěn)流器來說，只要電流感測(cè)電路正確地設(shè)計(jì)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(shí)的另一種技術(shù)是將整個(gè)電路設(shè)計(jì)為負(fù)輸出量(圖5)。這種技術(shù)解決了電流感測(cè)的參照問題，但沒有解決PWM調(diào)光信號(hào)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(gè)數(shù)量級(jí)將會(huì)消除這種交互。

驅(qū)動(dòng)LED的須知事項(xiàng)

除了在驅(qū)動(dòng)LED時(shí)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(xiàng)。LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須意識(shí)到對(duì)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(huì)將它們的輸出電壓驅(qū)動(dòng)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(shì)。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(jī)會(huì)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(jiǎn)單的方法是在輸出端到反饋輸入端之間放置一個(gè)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(jì)者應(yīng)注意驅(qū)動(dòng)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(jì)人員意識(shí)到設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)系統(tǒng)中配置LED的一些基本方法以及可以用于驅(qū)動(dòng)LED的可能的功率拓?fù)洹?duì)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(jì)者的偏好。本文還提醒設(shè)計(jì)者 ：在設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的過程中應(yīng)該意識(shí)到的潛在危險(xiǎn)。我們只有采用正確的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方能實(shí)現(xiàn)—LED點(diǎn)亮全世界—這一承諾。