適合LED驅(qū)動及調(diào)光的各種切換式電源拓撲比較
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1 穩(wěn)定電流驅(qū)動LED維持固定亮度
LED驅(qū)動仍面臨許多挑戰(zhàn)，要維持固定的亮度，需要以穩(wěn)定電流驅(qū)動LED，且不受到輸入電壓的影響，相較于白熱燈泡單純接上電池作為電源的挑戰(zhàn)更大。
LED具有順向V-I特性，與二極管情形類似。白光LED的開啟閾值約為3.5伏特，在此閾值之下，通過LED的電流量非常少。超過此閾值之后，電流會以指數(shù)方式增強，造成順向電壓遞增，LED因而成為具有串聯(lián)電阻的電壓來源模型。不過須要注意，此模型僅在直流電流單一操作的情況下有效，如果LED中的直流電流改變，則模型中的電阻也應(yīng)該改變，以顯現(xiàn)新的操作電流。在大量順向電流的情況下，LED中所消耗的電力會提升裝置溫度，改變順向壓降與動態(tài)阻抗，決定LED阻抗時，務(wù)必考慮環(huán)境的熱度。
如果LED是由降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動，除了直流電流之外，LED常會傳導(dǎo)電感的交流鏈波電流，根據(jù)所選擇的輸出濾波器安排情形而定。這會增加LED中電流的RMS強度，也會增加其功率的消耗，并使結(jié)點溫度升高，對LED的壽命有重大影響。如果在燈光輸出上設(shè)立70%的限制作為LED的使用年限，便可增加LED的壽命，由74℃的15,000小時，延長到63℃的40,000小時。LED中功率流失的判定方法，是將LED電阻乘上RMS電流的平方，加上由平均電流乘上順向壓降的數(shù)值。由于結(jié)點溫度是由平均功率所決定，即使出現(xiàn)大量的鏈波電流，對功率消耗的影響也很小。舉例來說，在降壓穩(wěn)壓器當(dāng)中，相等于直流輸出電流的峰間鏈波電流(Ipk-pk=Iout)，總功率損耗將增加不到10%。如果是大于此程度相當(dāng)多的情況，則必須降低供應(yīng)的交流鏈波電流，以維持結(jié)點溫度及操作壽命。在此有一個實用的基本原則，就是結(jié)點溫度降低10℃，半導(dǎo)體的壽命就會增加兩倍。實際上大部分的設(shè)計，因為電感限制的關(guān)系，傾向使用低上許多的鏈波電流。另外，LED中的峰值電流，不應(yīng)超過制造商指定的最大安全操作額定值。
2 LED應(yīng)用于多種領(lǐng)域需多種電源拓撲支持
表1的信息可供作選擇LED驅(qū)動器最佳切換拓撲的參考。除了這些拓撲之外，也可以使用簡單的電流限制電阻或是線性穩(wěn)壓器，不過這些方法通常會耗用過多功率。輸入電壓范圍、驅(qū)動的LED數(shù)目、LED電流、隔離、電磁干擾(EMI)限制以及效能，都是相關(guān)的設(shè)計參數(shù)。大部分的LED驅(qū)動電路可分為以下幾種拓撲類別：降壓、升壓、降壓升壓、SEPIC以及返馳。
2.1 降壓穩(wěn)壓器和升壓轉(zhuǎn)換器
圖1顯示三個基本電源拓撲的例子，第一張圖所顯示的降壓穩(wěn)壓器，可使用于輸出電壓永遠小于輸入電壓的情形。圖1中，降壓穩(wěn)壓器改變金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)的導(dǎo)通時間，以控制進入LED的電流。可越過電阻測量電壓以進行電流偵測；電阻與LED為串聯(lián)狀態(tài)。驅(qū)動MOSFET是本方法在設(shè)計上的重大挑戰(zhàn)，如果從成本及效能的觀點來看，建議使用須要浮接閘極驅(qū)動的N信道FET。N信道FET須要使用驅(qū)動變壓器或是浮動驅(qū)動電路，兩者都可維持電壓高于輸入電壓。
圖1 供應(yīng)LED電力的簡易降壓及升壓拓撲
圖1也顯示替代的降壓穩(wěn)壓器(Buck #2)。在此電路中，MOSFET的驅(qū)動與接地有關(guān)，大幅降低了驅(qū)動電路的需求。本電路偵測LED電流的方法為監(jiān)控FET電流，或是與LED串聯(lián)的電流偵測電阻。如果采用后者，則須要使用位準(zhǔn)移位電路，將此信息送至接地電源，并將簡單的設(shè)計復(fù)雜化。同樣顯示于圖1中的升壓轉(zhuǎn)換器，則是在輸出電壓永遠大于輸入時使用。這種拓撲設(shè)計容易，因為MOSFET的驅(qū)動與接地有關(guān)，而電流偵測電阻也是屬于接地引用類型。此電路的缺點是在短路時，無法限制通過電感的電流，可以使用保險絲或電路斷路器，作為故障保護裝置。此外，還有一些較復(fù)雜的拓撲可提供這類保護。
2.2 降壓升壓電路
圖2顯示兩種降壓升壓電路，可在輸入電壓可能大于或小于輸出電壓的情形下使用。這些電路與前述兩種降壓拓撲有相同的折沖特點，與電流偵測電阻與門極驅(qū)動的位置有關(guān)。圖2的降壓升壓拓撲，顯示接地參考的閘極驅(qū)動。此拓撲需要位準(zhǔn)移位電流偵測訊號，不過反向的升壓降壓拓撲則具有接地參考的電流偵測及位準(zhǔn)移位閘極驅(qū)動。如果控制IC與負輸出有關(guān)，且電流偵測電阻與LED進行交換，即可利用有效的方式配置反向升壓降壓拓撲。只要適當(dāng)控制IC，即可直接測量輸出電流，也可以直接驅(qū)動MOSFET。
圖2 降壓升壓拓撲中的輸入電壓，可大于或小于輸出電壓
2.3 升壓或降壓拓撲
降壓升壓的拓撲方式電流相對較高，舉例來說，如果輸入及輸出電壓相同，電感及電源開關(guān)電流是輸出電流的兩倍以上，這對效能及功率消耗會造成負面影響。圖3的「升壓或降壓」拓撲可減輕這些問題，在此電路中會有一個升壓功率級，之后則有一個降壓功率級。如果輸入電壓高于輸出電壓，升壓功率級就會提供電壓調(diào)節(jié)，而降壓功率級則只傳遞功率。如果輸入電壓低于輸出電壓，則降壓功率級提供電壓調(diào)節(jié)，升壓功率級傳遞功率。通常降壓及升壓的運作，會有一些重迭的時間，因此在變換模式時不會出現(xiàn)死區(qū)(Dead-band)。
圖3 降壓或升壓及SEPIC拓撲提供較高的效能
2.4 SEPIC拓撲
如果輸入與輸出電壓幾乎相同，則此電路所擁有的有利條件，就是開關(guān)與電感電流幾乎等于輸出電流，電感鏈波電流也會有較少的傾向。即使此電路中有四個功率開關(guān)，通常仍有顯著的效能增進現(xiàn)象，這是電池應(yīng)用的關(guān)鍵所在。圖3所顯示的SEPIC拓撲所需的FET較少，但是需要更多被動組件。SEPIC拓撲的優(yōu)勢，在于簡易的接地參考FET及控制電路。此外，雙通道電感可以結(jié)合為單耦合電感，節(jié)省面積與成本。不過和降壓升壓拓撲一樣，SEPIC拓撲的開關(guān)電流較「降壓或升壓」及脈沖輸出電流為高，需要能處理大量RMS電流的電容器。
2.5 返馳轉(zhuǎn)換器
基于安全考慮，可能會規(guī)定在脫機電壓及輸出電壓之間進行隔離。此應(yīng)用方式下，最節(jié)省成本的解決方法就是使用返馳轉(zhuǎn)換器(圖4)，在所有的隔離拓撲中，這種作法所需要的組件數(shù)量最少。變壓器匝數(shù)比可用來對輸出電壓進行降壓、升壓或降壓升壓，設(shè)計彈性很大，不過缺點在于電源變壓器基本上是訂制組件。此外，在FET以及輸入和輸出電容器中，也會有高組件應(yīng)力的情形出現(xiàn)。應(yīng)用固定燈光時，可以使用「慢速」的回饋控制循環(huán)，調(diào)節(jié)LED電流與輸入電壓同相位的情形，進行功率因子校正(PFC)。這樣可以調(diào)節(jié)所需的平均LED電流，并能調(diào)節(jié)輸入電流與輸入電壓同相位的情形，以提供高功率因子。
圖4 返馳拓撲可以提供隔離及功率因子校正
LED調(diào)光技術(shù)：藉PWM降低亮度較佳
LED常須要調(diào)光，舉例來說，有時可能須要調(diào)整顯示亮度或是建筑照明。有兩種方式可以達到這個目標(biāo)，一是降低LED電流，二是快速開關(guān)LED讓肉眼平均其亮度。效果最差的方法就是降低電流，因為燈光輸出與電流之間并不是完全的線性關(guān)系。此外，LED的顏色光譜在電流低于最大額定值時，會有偏移的傾向。人類對亮度的察覺是一種指數(shù)關(guān)系，因此如果要調(diào)整亮度，可能須要大幅度改變電流，這對電路設(shè)計的影響甚大。因為在最大電流下3%的調(diào)節(jié)錯誤，可能會因為電路容忍度，在10%的負載時出現(xiàn)30%以上的錯誤。藉由脈沖寬度調(diào)變(PWM)影響電流而降低亮度，是比較正確的作法，不過仍然有反應(yīng)速度的問題。在照明或顯示時，須要使用100Hz以上的脈沖寬度調(diào)節(jié)，人類眼睛才不會察覺到閃爍的情形。10%的脈沖寬度是在毫秒范圍之中，因此電源供應(yīng)的帶寬需要大于10kHz。
針對不同LED應(yīng)用的各種電源拓撲應(yīng)運而生
如同表2所示，LED已廣泛運用于各領(lǐng)域，因此需要許多種類的電源拓撲，支持LED的應(yīng)用。一般而言，必須考慮輸入電壓、輸出電壓及對隔離的需求，以做出適當(dāng)選擇。
如果輸入電壓一定大于或小于輸出電壓，選擇就很明確，一定是降壓或升壓。但如果彼此關(guān)系并不明確，便不易做出選擇，有非常多的折沖作法，包括效能、成本以及可靠性等等。
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