LED電源設(shè)計(jì)的線性和開(kāi)關(guān)式結(jié)合方案

為控制亮度，發(fā)光二極管(LED)需要恒定電流。把一只電阻器與一組LED串聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)。由于一組LED的電壓和供電電壓都可能發(fā)生改變，因而必須使用專用的LED驅(qū)動(dòng)保證電流的精準(zhǔn)。以下兩種方案使用廣泛：線性恒流LED驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)降壓開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器，它們均有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

線性驅(qū)動(dòng)是簡(jiǎn)單的方案，所需元件極少且基本無(wú)噪音。但是，其耗散的熱量和供電電壓與LED正向電壓之差成正比。為防止過(guò)熱，其封裝可能需要在PCB上額外劃分一個(gè)散熱區(qū)，這就增加了所需PCB的成本和數(shù)量，同時(shí)也增加了驅(qū)動(dòng)IC因熱關(guān)斷，從而關(guān)閉LED的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 LM393比較器監(jiān)測(cè)LED串的低側(cè)電壓，并使能降壓穩(wěn)壓器(CAT4201)或線性穩(wěn)壓器(CAT4101)。

如果此驅(qū)動(dòng)被置于LED旁，額外的熱量會(huì)使LED以更高的溫度運(yùn)行，從而減少其壽命。降壓(或buck)轉(zhuǎn)換器效率高，產(chǎn)生的熱量很少，但是開(kāi)關(guān)式方案需要一只電感和一個(gè)肖特基二極管。這個(gè)方案也會(huì)產(chǎn)生噪音，尤其是當(dāng)供應(yīng)電壓快降至LED正向電壓時(shí)。在汽車應(yīng)用中，射頻干擾(RFI)是一個(gè)重要的考慮因素。建議在開(kāi)頭式轉(zhuǎn)換器前面置放EMI/RFI濾波器，以阻止高頻轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的噪音返回電源，因?yàn)樗锌赡芨蓴_到AM/FM波段收音機(jī)等設(shè)備。

在降壓變換器性能不良，用盡余量時(shí)，線性驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行則是最佳的。為避免劣勢(shì)，發(fā)揮兩種方案的優(yōu)勢(shì)，可以采取將線性與降壓相結(jié)合的方案，在保證效率的同時(shí)將轉(zhuǎn)換噪音降至最低。

理想情況下，電池電壓的波動(dòng)幅度很大。如汽車應(yīng)用場(chǎng)景下(8v至17v)，線性/降壓驅(qū)動(dòng)器能提供所需的較低噪音運(yùn)行環(huán)境和較高的效率。當(dāng)應(yīng)用電壓升至限值以上時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)器則轉(zhuǎn)換為降壓模式，從而避免線性驅(qū)動(dòng)器過(guò)熱。

本文中的電路可單獨(dú)選擇每個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器在開(kāi)關(guān)模式和線性模式之間切換時(shí)的可調(diào)電壓閾值，并有額外遲滯以確保轉(zhuǎn)換順利進(jìn)行。圖1顯示的原理圖采用了安森美半導(dǎo)體公司的CAT4201 350-mA降壓驅(qū)動(dòng)器，以及CAT4101 1A恒流LED驅(qū)動(dòng)器，圖中也顯示了邏輯比較器。較常見(jiàn)的降壓結(jié)構(gòu)有一個(gè)高側(cè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)低側(cè)二極管，CAT4201則不同，它互換了這些器件。

與典型的降壓開(kāi)關(guān)器相同，當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，流經(jīng)感應(yīng)器L和LED的電流會(huì)增加，直至達(dá)到峰值，即：LED平均電流的兩倍。之后開(kāi)關(guān)關(guān)閉。已充電的電感會(huì)迫使電流繼續(xù)流經(jīng)肖特基二極管D1及LED，直到其值變?yōu)榱?。而后該循環(huán)又開(kāi)始重復(fù)。這一開(kāi)關(guān)式運(yùn)行被稱為臨界導(dǎo)通模式。

R1/R2電阻分壓器產(chǎn)生出相當(dāng)于負(fù)極電壓幾分之一的V+.如果比較器(LM393)的輸入電壓高于固定的基準(zhǔn)電壓值2.5V，則輸出為高;OUT為低，禁用線性驅(qū)動(dòng)器而使能降壓轉(zhuǎn)換器。如果V+低于基準(zhǔn)電壓，則比較器輸出為低，使能線性驅(qū)動(dòng)器而禁用降壓轉(zhuǎn)換器。反饋電阻器R5增加了0.6V的遲滯，即一旦負(fù)極電壓超過(guò)3.6V，降壓轉(zhuǎn)換器就會(huì)起動(dòng);當(dāng)負(fù)極電壓降至3V以下時(shí)，線性驅(qū)動(dòng)器則會(huì)接手。注意，如果LM393的另一半沒(méi)有用于其它LED電源，更好的設(shè)計(jì)方法是將LM393上所有未用的輸入和輸出引線都接地。

圖2顯示了單用降壓轉(zhuǎn)換器，以及線性/降壓驅(qū)動(dòng)器合用時(shí)的LED電流調(diào)節(jié)情況。與單用降壓轉(zhuǎn)換器相比，線性/降壓驅(qū)動(dòng)器可將LED電流調(diào)節(jié)擴(kuò)展至低于8V的電源電壓，即使電池電壓繼續(xù)下降，它也能使LED保持點(diǎn)亮。電源電壓低于11V時(shí)，僅用降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)損失其精度，并產(chǎn)生回到電源的更多開(kāi)關(guān)紋波電流。EMI濾波器更難以抑制較低頻率下的紋波電流。另一方面，在相同的供電電壓范圍內(nèi)，線性驅(qū)動(dòng)器則提供了更高的調(diào)節(jié)和無(wú)噪音運(yùn)行環(huán)境。

盡管增加了元件數(shù)，但對(duì)于要求低噪音性能與擴(kuò)展電源區(qū)間的應(yīng)用，線性/降壓聯(lián)合方案還是有價(jià)值的?？梢栽O(shè)置線性到降壓的過(guò)渡電壓值，以獲得最佳散熱性能。

圖2 與僅用降壓轉(zhuǎn)換器相比，線性/降壓電流阱可將電流的調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)展至更低的電源電壓(8V以下)，并降低低電量情況下的EMI.因此，LED在電池電壓低的情況下也可保持點(diǎn)亮。