對驅動新型LED的恒定電流源的要求（三）

July 25, 2019

降壓-升壓轉換器

 

當LED系統(即整個串聯串的總正向電壓降)的輸出電壓既可能大于，也可能小于應用中的輸入電壓時，就必須采用降壓-升壓穩壓器。現有的各種拓撲都可以升高和降低輸入電壓。最普遍的是回掃轉換器、SEPIC(單端初級電感轉換器)轉換器和Cuk穩壓器。VO 可以比VIN 高或低，在極性上可與VIN相同或相反。每種拓撲都有獨特的優勢，但是，所有拓撲的效率都比降壓-升壓穩壓器低，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-升壓穩壓器采用浮動開關，如降壓穩壓器，許多降壓穩壓器和控制器都可以用于設計單感應式降壓-升壓穩壓器。在各種升/降壓拓撲中，這種拓撲采用的零部件數量最少。單電感降壓-升壓轉換器的主要缺點是輸出電壓的極性是反向的。對于許多穩流器來說，只要電流感測電路正確地設計為控制器或穩壓器IC，這就不是問題。采用降壓穩壓器或控制器時的另一種技術是將整個電路設計為負輸出量(圖5)。這種技術解決了電流感測的參照問題，但沒有解決PWM調光信號的參照問題。

 

用耦合感應器(有時稱為回掃變壓器)替換降壓-升壓穩壓器的感應器會產生回掃拓撲。耦合感應器可使初級驅動轉換至低側拓撲，這種拓撲相對來說更簡單，也更便宜。回掃拓撲一般用于需要功率從150W轉換至5W以下，VIN 上升8倍的時候，或當需要擴大開關的最大電壓或電流的時候。由于開關接地，升壓穩壓器IC通常可以用作回掃穩壓器。

 

SEPIC(單端初級電感轉換器)拓撲還可以用作降壓-升壓穩壓器，提供低于或高于輸入電壓、與輸入電壓擁有相同極性的輸出電壓。例如，SEPIC拓撲可以提供在10~15V之間變化的12V輸入電壓。如果沒有SEPIC，這一實例可以采用兩個穩壓器來實現，即在升壓穩壓器之后用一個降壓穩壓器或單個回掃穩壓器。低側穩壓器和控制器可以用在SEPIC拓撲中，當需要真正關斷時，SEPIC對于替換升壓電路很有用。

 

Cuk穩壓器是一種在電源教科書中非常普遍，但是還沒有被廣泛使用的拓撲。人們對這種拓撲的興趣不斷增加，因為它是唯一一種帶有感應輸出的升壓降壓拓撲。這使得Cuk轉換器可以在沒有輸出電容的情況下驅動LED，就如同降壓轉換器一樣。像其它升壓/降壓轉換器一樣，Cuk存在右半平面(RHP)零點并且更難控制。Cuk轉換器還可以逆變它們的輸出端極性，這需要為它們的電流感測和PWM調光電路進行電平移動和/或逆變。

 

通過調光控制LED的亮度

 

脈寬調制(PWM)是用于調暗LED，以控制LED系統中的光輸出的主要方法。LED中的光輸出隨著IF的變化(在制造商規定的范圍內)而以一種線性方式改變，但在單色LED中，發射光的主頻也是不同的。對于以磷為基質的白色LED，其相關色溫(CCT)是不同的。線性調光能用于在顏色/CCT上的這種變化被判定為可接受的應用中。這些應用的實例包括閃光燈、閱讀燈，以及只有很少量的LED的系統，在這種系統中，從一盞燈到另一盞燈之間的顏色、CCT或亮度上的差別不是很明顯。對于諸如汽車剎車燈、LCD背光燈，以及直視RGB燈等應用而言，亮度和顏色要求對于這種方法來說太過嚴格。為了減少這些應用中的光輸出，同時對顏色和CCT進行嚴格控制，一個已知的、受控制的電流必須流經LED陣列串，然后，用受控制的占空比進行斬波控制。

 

電流源輸出端的PWM的另一種方法是斬波控制電源輸入電壓，也稱之為“劇場調光”，這種方法普遍用于客車。一般情況下，這種情況在低頻(50Hz~1000Hz)時發生。必須對這種方法和開關穩壓器的使能管腳的PWM進行仔細分析，以防PWM頻率和開關頻率之間發生交互。輸入電壓的PWM或使能管腳可使開關穩壓器發生振蕩。基本的規則是保持開關頻率至少高出PWM頻率兩個數量級將會消除這種交互。

 

驅動LED的須知事項

 

除了在驅動LED時可選擇的各種功拓撲以外，還要考慮到一些其它的須知事項。LED系統設計者必須意識到對穿過LED的短路或系統中的開路LED故障采取必要的保護措施。配置為恒流源的開關穩壓器在處理穿過LED陣列的短路上沒有問題，但是，如果LED作為開路發生故障，則會將它們的輸出電壓驅動至系統限額。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，電流由很小變為沒有，因此，熱應力出現的機會很小。

 

如果是升壓轉換器和降壓-升壓轉換器，開路系統的輸出電壓是未定義的，而且可以超出穩壓器IC、功率半導體，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，利用在許多開關穩壓器上都可以找到的過電壓比較器。

 

此外，LED系統設計者應注意驅動高亮度LED帶來的散熱管理問題。雖然在本文中沒有討論這一話題，但是作者希望設計人員意識到設計和HB LED應用中的散熱問題。

 

結語

 

隨著照明世界逐漸向LED過渡，要驅動新型高亮度LED必須有足夠的電子器件來提供電能。我們已經介紹了在一個系統中配置LED的一些基本方法以及可以用于驅動LED的可能的功率拓撲。對于LED配置以及功率拓撲的特定解決方案取決于應用限制、系統技術規范和設計者的偏好。本文還提醒設計者 ：在設計LED驅動系統的過程中應該意識到的潛在危險。我們只有采用正確的設計指導方能實現—LED點亮全世界—這一承諾。

 

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