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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 基于降压转换器的LED 照明驱动器设计2022 年 4 月 7 日来源 :大比特半导体器件网虽 然 在 输 出 电 压 可 能 高于 也 可 能 低 于 输 入 电 压时 , 峰 值 电 流 模 式 控 制的 非 连续 升 降 压 转 换 器 是 LED 驱 动 器 的 一 个 不 错 选 择 ； 但 是 , 采 用 这 种 升 降 压 转 换 器来设计驱 动器时,LED 电压的变化会转变 LED 电流, LED 开路将导致输出端产生 过 高 的 电 压 , 从 而 损 坏 转 换 器 ； 本 文 将 详 细 讨 论 这 种 用 于 LED 的
2、 转 换 器 设计,并给出多种克服其固有缺点的方法；发 光 二 极 管 LED的 应用 已 有 很 多 年, 随 着 最新 技 术 的 进步 , 它 们正逐 渐 成为照明市场中强有力的竞争者；新的高亮度 LED 具有很长的寿命 约 10 万小时 和很高的效率 约 30 流明 /瓦 ；过去三十多年来,LED 的光输出亮度每 l8 24个月便会翻一番,而且这种增长势头仍会连续下去,这种趋势称为 Haitz 定律,相当于 LED 的摩尔定律；从 电 气 上 来 说 , LED与 二 极 管 类 似 , 它 们 也 是 单 向 导 电 尽 管 它 们 的 反 向 阻断 能 力 并 不 太 好 ,高 的
3、反 向 电 压 很 容 易 损坏 LED, 并 具 有与 常 规 二极 管 类 似 的低动态阻抗 V-I 特性；另外,LED 一般都有安全导通时的额定电流 高亮度 LED的额定电流一般为 350mA 或 700mA；通过额定电流时,LED 正向压降的差异可能比较大,通常 350mA 白光 LED 的压降在 3 4V 之间；驱动 LED 需要受控的 DC 电流；为了使 LED 的使用寿命长些,LED 电流中的纹波必需很低,由于高纹波电流会使 LED 产生较大的阻性功耗,降低 LED 使用寿命；LED 驱动电路需要更高效率,由于总体效率不仅取决于 LED 本身,也与驱动电路有关；而工作于电流掌握模
4、式的开关转换器是满意 LED 应用 的高功率及高效率要求的抱负驱动方案；驱动多个LED也需要认真考虑；图1 是LED的串并联连接电路；其中图LED1a 为 LED的并联连接电路；图1h 是 LED的串联连接电路；由于各个的 动 态 阻 抗 和 正 向 压 降不 相 同 , 因 此 , 如 果 没有 外 部 均 流 电 路 如 电流 镜 像 , 就不行能保证流过LED上的电流相同；此外,由于一个LED 显现故障将使LED串断开,从而致使全部LED电流在剩下的LED串之间安排,这将导致LED串上的电流增大,从而可能损坏LED ；因此,出于上面两个缘由,设计时一般不用如图 1a 那样的并联 LED
5、电路；1 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 因此,更好的做法是将LED串联起来；但该方法的缺点是,假如一个LED 显现故障,就整个 LED 串将停止工作；让剩下的 LED 串连续工作的一个简洁办法是将一个齐纳二极管 其额定电压大于 LED 的最高电压 与每个 或每组 LED并联,如图 1b 所示；这样,任何一个 LED 发生故障后,其电流都会流到相应的齐纳二极管上,LED 串的其余部分仍可正常工作；基 本 的 单 阶 开 关 转 换 器可 分 为 三 类 ： 降 压 转 换器 、 升 压 转 换 器 和 升
6、降压 转 换器；当LED串的电压低于输入电压时,降压转换器图2a 是抱负的选择；当输入电压总是低于串输出电压时,就使用升压转换器比较合适图2b ；当输出电压可 能 高 于 也 可 能 低 于 输入 电 压 时 由 输 出 或 输入 变 化 引 起 , 就 采纳升 降 压 转 换 器图 2c 比 较 合 适 ； 升 压 转 换 器 的 缺 点 是 , 输 入 电 压 的 任 何 瞬 变 可 使 输 入 电 压 升高并超过输出电压 都会导致 LED 上流过很大电流 由于负载的低动态阻抗 ,从而损坏 LED ；升降压转换器也可代替升压转换器,由于输入电压的瞬变不会影响LED 电流；升降压转换器的工作
7、原理对 于 低 电 压 应 用 中 的 LED 驱 动 器 , 升 降 压 转 换 器 是 一 种 不 错 的 选 择 ； 其 原因 有 它 们 可 用 高 于 和 低 于 输 入 电 压 的 电 压 来 驱 动 LED 串 升 压 和 降 压 、 效 率 很高 很 容 易 到 达 85% 以 上 、 非 连 续 工 作 模 式 可 抑 制 输 入 电 压 的 变 化 提 供 优 良 的线电压调剂 、峰值电流掌握模式答应转换器调剂 LED 电流,而无需复杂的补偿2 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 简化设计
8、、很简洁实现线性和PWM LED亮度调剂、开关晶体管失效不会损坏LED等等；图2 给出了降压、升压和升降压转换器与LED串的连接电路；但 是 , 这 种 方 法 仍 有 缺点 ： 一 是 峰 值 电 流 受 控问 题 , 因 为 采 用 非 连 续电 流 模式的升降压转换器是一种功率恒定的转换器；因此,LEDLED串电压的任何变化都会引起LED电流的相应转变；另一个问题是开路状态会在电路中产生损坏转换 器 的 高 电 压 ； 此 外 ,仍 需 要 额 外 的 电 路 将 恒定 功 率 转 换 器 转 变 为 恒定 电 流 转 换器,并需要在无负载情形下爱护转换器；图 3 所示为详细的升降压转换
9、器应用电路,该掌握器内置了用于设定开关频率的振荡器；在开关周 期之初,Q1 导通；由于输入电压 VIN 加在电感上,电感电流 iLt 开头从零 初始稳固状态 开头上升；当感应电流上升至预先设定的电流值 ipk 时, Q1 关闭；开关导通时间 ton 由下式确定：ton=ipkL/VIN此时,储备在电感内的总能量 J 为：J=Li2pk/2这 样 , 尽 管 此 时 开 关 会关 闭 , 但 流 经 电 感 的 电流 并 不 会 中 断 ； 这 会 使二 极 管D1 导通,并在电感两端产生输出电压 -Vo,这个负电压会导致电感电流快速下降；经过肯定时间 tOFF 后,电感电流趋于零；此时间可通过
10、以下公式来运算：tOFF= ipkL/VO为 使 转 换 器 工 作 在 非 连续 导 通 模 式 下 , 开 关 导通 时 间 与 电 感 电 流 下 降时 间 的总 和 必 须 小 于 或 等 于 开 关 周 期 够从零开头；TS , 以 便 确 保 在 下 一 个 开 关 周 期 时 , 电 感 电 流 能事 实 上 , 在 输 入 电 压 最 小 和 输 出 电 压 最 大 的 情 况 下 , tON+tOFF 可 取 得 最大 值 ； 因 此 , 确 保 在 这些 电 压 下 转 换 器 工 作 于非 连 续 导 通 模 式 可 保 证在 任 何 情 况下都能满意下式所列的条件：tO
11、N+tOFFTs3 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 转换器从输入端获得的功率P in 电感中的能量与开关频率f 的乘积：即：Pin=fsLi2pk/2假 设LED串 的 电 压 VO恒 定 且 效 率 为100% , 那 么LED的 电 流 iLED为：iLED=PIN/VLED=Li2pkfs/2Vipk通常是一个固定值；因此,LED电流完全独立在峰值电流掌握模式下, 理论上 于输入电压；在固定的ipk下,输入电压的上升下降 会引起晶体管的导 通 时 间 成 反 比 例 减 少 增 加 , 这 将 提 供
12、 很 好的 线 电 压 调 节 ； 在 实 际应 用 中 , 从控 制IC检 测 到电 流 峰值 到GATE引 脚实 际关 断 之 间的 推迟 会 引起输 入 功 率变化 ； 导 通 时 间 较 短 会 由于 延 迟 时 间 而 出 现 更 多误 差 , 因 为 延 迟 时 间 将会 占 导 通 时间相当大的部分；mA实际上,LED电流与LED串的电压成反比；一个标称输出为20 V 和350 的 电路, 将在10V输 出电压 时产生700 mA的 电流, 这明显 不是 期望的 结果 ； 但 是 , 通 过 使 开 关频 率 与 输 出 电 压 成 正 比, 上 述 公 式 提 供 了 一 种将
13、 恒 定 功 率转换器转换为恒定电压转换器的方法；假设 fs=KVO,其中K 是常数,那么有：iLED=kLi2pk/2这样, iLED将独立于输入和输出电压；LED开 路 时 ,回 扫 转 换 器 的 另 一 个 缺 点 是 它 易 受 输 出 开 路 状 态 的 影 响 ； 当存 储 在 电 感 内 的 能 量 在 每 次 开 关 导 通 时 间 的 最 后 都 会 被 转 移 到 输 出 电 容 里 ； 这样 , 缺 少 电 容 放 电 的 负载 将 导 致 电 容 两 端 的 电压 逐 渐 上 升 , 最 后 超 过器 件 的 标 称值并损坏功率级；因此,可通过增加额外电路来供应输出电
14、压反馈及过压爱护；输出电压反馈图4 是一个可实现过压爱护和LED开路爱护的额外电路；实际上,许多峰置值电流模式掌握器IC都具有专用的RT引脚；与该引脚相连的电阻可用来设内 部 电 流 , 其 内 部 电 流用 来 给 振 荡 器 电 容 可以 是 内 部 或 外 部 充电； 振 荡 器 电 容上的 斜坡电压控制开关频率,这样,开关频率与RT引脚的输出电流成正比；电阻 越 小 大 ,电 流 就 越大 小 , 开 关频 率 也 就越 高 低 ； 基于 这 一 原理 , 可 利用输出电压反馈来调整开关频率；4 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 6 页精选学习资料 - -
15、 - - - - - - - 在图4 所示电路中,电阻R3 和 R4 构成一个分压器；R4 上的电压减去晶体管 Q2 基极和发射极之间的压降Vbe就是R5 上的电压；因此,流经R5 的电流IR5为：IC 的引脚RT 获得的；该电流是利用匹配的晶体管对从掌握图 4 中 的 电 阻 R2 用 于 启 动 转 换 器 ； 在 启 动 状 态 下 , 输 出 电 压 为 零 , 因 而IR5 也为零；由于没有来自掌握 器 RT 引脚的电流,所以转换器无法启动；增 加电阻 R2 可以在启动状态下获得一小部分电流,并使 R2 的大小满意：IR5VRT/R2 其中 VRT 是掌握器 RT 引脚上的电压；满意
16、该条件可确保转换器的启动,并将 R2 带来的误差降至最低；如选 R3=R4 ,就有：IR5VO/2R5 这里假定输出电压比Q2 的基极 - 发射极压降大得多；这样,依据以上各公式便可以得到输出 LED 电流为：iLED=KIC Li2pk/2 2R5这 样 , LED 电 流 将 不再 决 定 于 输 入 或 输 出 电压 ； 采 用 电 阻 R6 、 晶体 管 Q3和齐纳二极管 D2 可增加过压爱护功能；在 LED 开路状态下,当开关导通时,电感 存 储 能 量 , 当 开 关 关闭 时 , 该 能 量 转 移 到 输出 电 容 上 ； 因 为 没 有 足够 的 负 载 供电 容 放 电 ,
17、 输 出 电 压 在每 个 周 期 都 会 逐 渐 升 高； 当 电 压 升 高 到 超 过 齐纳 二 极 管 的5 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 导通电压时,由D2 和 R6 组成的齐纳二极管分支电路开头导通；这也供应了一条通过 Q3 基极电流的路径,使 Q3 导通；此时,电阻 R4 实际上被短路；因此,Q2 的基极发射极的 PN 结将关闭,导致 R5 上的电流为零；这将停止掌握器的内 部 振 荡 直 到 输 出 电 压 降到 齐 纳 二 极 管 电 压 以 下, 以 上 过 程 继 续 进 行 ；这
18、种 猝 发 模式可将LED开路状态下的平均功率降至最小；这种过压爱护方法将强制掌握IC进入低频、低功率的工作模式；齐 纳二 极管电 阻分 支电路 上的 电流必 须能在为晶体管基极-发射极之间的PN 结供应偏置；终止语R6 上产 生足 够大的 电压, 以便在 带 有 输 出 电 流 反 馈 的 开 关LED驱 动 器 中 , 一 般 仍 需 要 反 馈 补 偿 来 稳 定 转换 器 , 并 调 节 电 流 以 达 到 期 望 的 电 流 值 ； 这 些 反 馈 方 案 的 瞬 态 响 应 性 能 是 有 限的,无法满意LED的PWM亮度调剂所需要的快速开/ 关瞬态响应；然而,本文所 描 述 的
19、转 换 器 并 不 要求 任 何 反 馈 补 偿 ； 该 掌握 方 案 所 用 的 唯 一 反 馈信 息 是 通 过传 感 电 阻 获 得 流 经 MOSFET 的 峰 值 电 流 ； 因 为 转 换 器 在 每 个 周 期 都存 储 所 需 的能量,所以它可以对瞬态做出即时响应；因此它可以很便利地与 PWM 亮度调剂方案 一起工作；升 降 压 转 换 器 是 低 直 流 电 压 输 入 LED 驱 动 器 的 有 效 解 决 方 案 , 无 论 输 出 电压高于仍是低于输入电压,它都可以驱动 LED 串；此外,仍可在转换器中增 加小 型 而 低 廉 的 额 外 电 路以 克 服 负 载 调 节 和 无 负载 状 态 下 的 问 题 ； 该 转换 器 易 于 实现 , 且 在 峰 值 电 流 模 式控 制 时 无 需 进 行 反 馈 补偿 没 计 ； 它 所 具 有 的 开环 特 性 也 使之成为那些需要PWM亮度调剂的应用中的抱负挑选；6 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 6 页