驅動大功率LED之道

　　摘要： 本文將討論對驅動新型LED的恒定電流源(而不是電壓源)的要求，并介紹驅動高亮度LED的各種方法。本文將介紹LED可采用的不同拓撲和配置，以及用開關穩(wěn)壓器和控制器驅動LED的方法，并討論降壓和升壓拓撲以及這兩種設計之間的折衷策略，同時還會介紹參考設計以及驅動這些大功率LED的幾種解決方案。

　　關鍵詞： 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60年代初問世以來，發(fā)光二極管(LED)已被用于許多半導體器件。從第一個LED問世到現(xiàn)在，LED技術已經(jīng)取得了很大的技術進步。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)出的藍光)，通過LED技術多彩的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，這些新的半導體材料能夠產(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)電流驅動的。

　　過去從設計角度看，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，而且這種技術對于驅動許多應用中的LED來說足夠了。隨著更新一代HB LED所需的驅動電流(IF)的增加，要更多地考慮到LED本身和電流驅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)在逐漸采用開關穩(wěn)壓器和控制器來提供驅動HB LED所需的恒定電流。本文將介紹LED可以采用的不同拓撲和配置，以及用開關穩(wěn)壓器和控制器驅動LED的方法。

　　LED配置/拓撲

　　在驅動LED時有四種基本配置。選擇最理想的拓撲和配置通常取決于應用以及技術規(guī)范和系統(tǒng)要求。設計人員需要考慮輸入電壓、要驅動的LED的數(shù)量、尺寸/布局限制、效率、散熱管理以及光學等問題。第一種，也是最基本的一種拓撲是單個LED。采用這種設計的應用實例有汽車內(nèi)頂燈(地圖燈，閱讀燈)。

　　第二種，可以用串聯(lián)方式驅動LED。因為經(jīng)過所有LED的驅動電流都是相同的(假設LED被適當?shù)姆謾n)，這種配置可以保證顏色和亮度達到最接近的匹配度。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)之間的關系。這將決定將被用于驅動LED的功率拓撲，下文將會討論這個問題。這方面的應用實例包括閃光燈和汽車尾燈/剎車燈。

　　驅動LED的第三種配置是以并聯(lián)方式驅動。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，用電壓源驅動LED也會使正向電流的擺幅很大。

圖1 驅動LED過程中的正向電壓 v 電流

　　最后一種驅動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。這種技術用于驅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/轉向燈中已經(jīng)獲得應用。LED封裝中會包含若干個晶粒，但是，當從一個集中源產(chǎn)生大量光通量時，只有兩個連接被證明是有效的。

　　功率拓撲

　　不管類型、尺寸或功率如何，由恒流驅動的所有LED都會達到最佳工作狀態(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

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

　　降壓穩(wěn)壓器

　　當整個串聯(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撲是標準降壓穩(wěn)壓器。降壓轉換器(如圖3a所示)由于帶有輸出感應器，所以是驅動恒流的理想選擇。電感電流波紋DiL在降壓轉換器的設計中是一個已知的、受控制的量。在三種標準DC-DC轉換器拓撲(降壓、升壓和降壓-升壓)中，只有降壓轉換器有與LED驅動中的平均負荷電流或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換變得更加容易。再說詳細一些，許多基于降壓轉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，采用開關穩(wěn)壓器設計電流源有兩大標準：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、開關頻率，以及感應系數(shù)。

　　在以非連續(xù)導通模式(DCM)運行的電路中，可以對輸出電流進行控制。當電路以連續(xù)導通模式(CCM)—通過感應器時，CCM始終保持正電流—運行時，降壓轉換器可以被很容易地辨別和感應。在。由于感應器與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，因此，CCM操作是運行驅動恒流的降壓轉換器的首選方式。

　　升壓穩(wěn)壓器

　　當LED系統(tǒng)的輸入電壓小于應用中的整個串聯(lián)串的最小正向電壓降時，則需要一個升壓穩(wěn)壓器。在低功率應用中，普遍采用的是開關電容升壓轉換器，但是，當電流約為100mA或以上時，它們的效率會迅速下降。感應升壓穩(wěn)壓器也需要一部分輸入電壓并提供更高的輸出電壓，用感應器作為能量存儲元件在高增壓比(在這里，VO 遠遠大于VIN)和1至10安培的輸出電流范圍內(nèi)可以提供高效率。在所有開關電源拓撲中，只有降壓穩(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  采用美國國家半導體的LM5020的典型升壓LED驅動

　　升壓轉換器的一個缺點是，當穩(wěn)壓器被禁用時，不能在輸出端提供真正的關斷。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替代輸出二極管。采用升壓轉換器的系統(tǒng)設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)分升壓轉換器和降壓轉換器差別的方法是升壓穩(wěn)壓器需要一個輸出電容。當開關導通時，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。

　　當開關導通時，升壓轉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荷電容器，然后，負荷電容器和輸出電容器在開關關閉時進行充電。開關占空比D與從輸入端到輸出端傳輸?shù)哪芰恐g的間接關系致使出現(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。在所有拓撲(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“關閉”狀態(tài)轉向目標輸出電流的轉換器。RHP零點，結合阻止VO發(fā)生變化的輸出電容使得升壓轉換器在響應PWM調(diào)光的速度上要比降壓轉換器慢。

　　降壓-升壓轉換器

　　當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(wěn)壓器。VO 可以比VIN 高或低，在極性上可與VIN相同或相反。每種拓撲都有獨特的優(yōu)勢，但是，所有拓撲的效率都比降壓-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，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計單感應式降壓-升壓穩(wěn)壓器。在各種升/降壓拓撲中，這種拓撲采用的零部件數(shù)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(wěn)流器來說，只要電流感測電路正確地設計為控制器或穩(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(diào)光信號的參照問題。

圖5  用作降壓-升壓穩(wěn)壓器的降壓IC

　　用耦合感應器(有時稱為回掃變壓器)替換降壓-升壓穩(wěn)壓器的感應器會產(chǎn)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?；貟咄負湟话阌糜谛枰β蕪?50W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(wěn)壓器IC通?？梢杂米骰貟叻€(wěn)壓器。

　　SEPIC(單端初級電感轉換器)拓撲還可以用作降壓-升壓穩(wěn)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(wěn)壓器來實現(xiàn)，即在升壓穩(wěn)壓器之后用一個降壓穩(wěn)壓器或單個回掃穩(wěn)壓器。低側穩(wěn)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(wěn)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(diào)光電路進行電平移動和/或逆變。

　　表1列出了普遍使用的升壓/降壓拓撲，以及它們的主要優(yōu)點和缺點。

　　通過調(diào)光控制LED的亮度

　　脈寬調(diào)制(PWM)是用于調(diào)暗LED，以控制LED系統(tǒng)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(guī)定的范圍內(nèi))而以一種線性方式改變，但在單色LED中，發(fā)射光的主頻也是不同的。對于以磷為基質(zhì)的白色LED，其相關色溫(CCT)是不同的。線性調(diào)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(tǒng)，在這種系統(tǒng)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(jīng)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(diào)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(fā)生。必須對這種方法和開關穩(wěn)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(fā)生交互。輸入電壓的PWM或使能管腳可使開關穩(wěn)壓器發(fā)生振蕩。基本的規(guī)則是保持開關頻率至少高出PWM頻率兩個數(shù)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(tǒng)設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措施。配置為恒流源的開關穩(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，熱應力出現(xiàn)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(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(wěn)壓器上都可以找到的過電壓比較器。

　　此外，LED系統(tǒng)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(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(tǒng)技術規(guī)范和設計者的偏好。本文還提醒設計者 ：在設計LED驅動系統(tǒng)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(xiàn)—LED點亮全世界—這一承諾。