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如何利用降压结构实现LED驱动

助工
2014-07-23 15:01:43    评分
基于降压的结构可以与很多环路控制结构很好的匹配,而且不用考虑稳定性的限制,滞回控制适合在开关频率变化比较快和输入范围比较小的情况下应用。这种特性刚好满足LED对电源的要求。

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。

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:基本电流型降压调整器。

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):

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%)。

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。




关键词: 实现     结构    

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