随着LED的广泛应用,在很多地方线性电源这种简单的结构已经不能满足需求。一般情况下,当用电阻的方式设定LED所需的正向电流的时候,这种简单的驱动方式可以连续的由电源向负载提供能量。
由于LED的电流与电阻上的相同,所以电阻上产生的功耗会随输入电压的增加而增加。例如,一个用线性电源驱动的LED,效率为70%,用5V线性电源提供1A电流给一个典型的白光InGaNLED(VF=3.5V)。在相同的工作条件下,当输入电压上升到12V时,它的效率将会降到30%。在如此低效率的情况下是无法应用的。
开关电源
开关电源改善了由于输入变化使得效率变化比较大的问题。这种方式是通过控制占空比的方式来满足输出所需要的电压或电流。由于开关电源会产生脉冲式的电压和电流,所以这就需要用一些储能器件(电感或电容)对这些脉冲波形进行整形。
和线性电源相反,开关电源可以通过不同的设置来实现电流或电压的降、升或者同时升降的功能。开关电源同样可以在宽的输入或输出范围下实现高效率。在前面的例子中,用一个降压型的开关电源取代线性电源后,当输入电压由5V变到12V后,电路的效率由95%变到98%。
开关电源在效率和结构的灵活性上得到了很大的提升,但由于周期性的开关造成了噪声的增加,同时由于结构的复杂使得电路的可靠性下降和成本的上升。恒流型LED电路可以被简单的认为是一个恒流源。拓扑结构的选择应该考虑最少的外部原件和最好的性能为标准,这样可以提高电路的稳定性和减少成本。
鉴于LED的动态调光特性好,在设计的时候要考虑使这种特性能够方便应用。幸运的是,基本降压开关电路在实现这些特性的时候表现的非常好,所以LED驱动一般选择降压型开关电源。
恒流输出级
图1a:基本降压型电压调整器。
图1b:基本电流型降压调整器。
在我们设定好LED电流IF之后,我们必须准确的检测电感上的电流。从理论上来说,检测电感电流有很多方式,例如利用MOSFET的导通阻抗Rdson检测或者用电感的直流电阻检测。但是实际上这些检测方式在精度上不能满足LED电流设置的要求(高亮度LED的精度为5%-15%)。
开关调整器最常用的是电压调整器。图1a为一种基本恒压型降压调整器。降压控制器可以在输入电压变化的情况下,通过控制占空比或频率的变化使输出电压保持恒定。输出所需的电压由下面的公式计算得到(Eq.1)
电感L用来设置电感电流纹波的峰-峰值ΔIpp的大小,电容Co用来设置输出电压纹波和输出电压的负载瞬态响应。在这种降压型逆变器中电感的平均电流等于负载电流,因此我们可以通过控制电感电流纹波的峰-峰值来控制负载电流。这样可以使电压源控制的方式转换成电流源控制的方式。
图1b为一种基本电流型降压调整器。与恒压型相似,恒流型降压调整器可以在输入电压变化的情况下,通过控制占空比或频率的变化使输出电流IF保持恒定。输出所需的电流由下面的公式计算得到(Eq.2):
如果直接用电阻RFB来检测IF,这样在精度上就可以满足要求,但是在电阻上将会产生额外的功耗。降低反馈电压VFB,在同样的检测电流IF(图.2)的情况下可以降低检测电阻的阻值,这样就可以使功耗降到最低。最新的LED驱动大多数提供的参考电压(反馈电压)在50-200毫伏之间。
恒流降压调整器独特之处在于输出可以不需要电容。因为有连续的输出电流和不存在负载瞬态变化,这个调整器中输出电容的作用只是局限于电流滤波器。当我们设置成没有电容的恒流型降压调整器时,此时输出阻抗将大幅增加,而对于升压型来说,由于输出阻抗增加,为了满足输出电流恒定,输出电压也将会大幅增加。
结果调光的速度和调光的范围都有了显著的提高。在应用过程中,从背光和机器视觉角度来说调光的范围是一种非常有价值的特性。