當輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓時，峰值電流模式控制的非連續(xù)升降壓轉(zhuǎn)換器是LED驅(qū)動器的一個不錯選擇。但是，采用這種升降壓轉(zhuǎn)換器用于驅(qū)動器設計時，LED電壓的變化會改變LED電流，LED開路將導致輸出端產(chǎn)生過高的電壓，從而損壞轉(zhuǎn)換器。本文將詳細討論這種應用于LED的轉(zhuǎn)換器設計，并描述多種克服其固有缺點的方法。

發(fā)光二極管(LED)的應用已有很多年，隨著最新技術(shù)的進步，它們正逐漸成為照明市場中強有力的競爭者。新的高亮度LED具有很長的壽命(約10萬小時) 和很高的效率(約30流明/瓦)。過去三十多年來，LED的光輸出亮度每18~24個月便會翻一番，而且這種增長勢頭還會持續(xù)下去，這種趨勢稱為 Haitz定律， 相當于LED的摩爾定律。

　


圖1a：LED的并聯(lián)連接。圖1b：LED的串聯(lián)連接。
從電氣上來說，LED與二極管類似，它們是單向?qū)щ?盡管它們的反向阻斷能力并不太好，高的反向電壓很容易損壞LED)，具有與常規(guī)二極管類似的低動態(tài)阻抗V-I特性。另外，LED一般都有安全導通時的額定電流(高亮度LED的額定電流一般為350mA或700mA)。通過額定電流時，LED正向壓降的差異可能比較大，通常350mA白光LED的壓降在3至 4V之間?！?


驅(qū)動LED需要受控的DC電流。為了使LED的使用壽命長些，LED電流中的紋波必須很低，因為高紋波電流會使LED產(chǎn)生較大的阻性功耗，降低LED使用壽命。LED驅(qū)動電路需要更高效率，因為總體效率不僅取決于LED，還與驅(qū)動電路有關(guān)。而工作于電流控制模式的開關(guān)轉(zhuǎn)換器是滿足LED應用的高功率及高效率要求的理想驅(qū)動選擇。

驅(qū)動多個LED也需要仔細考慮。出于下面兩個原因，不推薦如圖1a那樣并聯(lián)LED串：由于各個LED的動態(tài)阻抗和正向壓降不相同，如果沒有外部均流電路 (如電流鏡像)，不可能保證流過LED上的電流相同；一個LED出現(xiàn)故障將使LED串斷開，致使所有LED電流在剩下的LED串之間分配，這將導致LED 串上的電流增大，并可能損壞LED。

因此，更好的做法是將LED串聯(lián)起來。但該方法的缺點是，如果一個LED出現(xiàn)故障，則整個LED串將停止工作。讓剩下的LED串繼續(xù)工作的一個簡單辦法是將一個齊納二極管(其額定電壓大于LED的最高電壓)與每個(或每組)LED并聯(lián)，如圖1b所示。這樣，任何一個LED發(fā)生故障后，其電流都會流到相應的齊納二極管上，LED串的其余部分仍可正常工作。

基本的單階開關(guān)轉(zhuǎn)換器可分為三類：降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器和升降壓轉(zhuǎn)換器。當LED串的電壓低于輸入電壓時，降壓轉(zhuǎn)換器(圖2a)是理想的選擇；當輸入電壓總是低于串輸出電壓時，則使用升壓轉(zhuǎn)換器比較合適(圖2b)；當輸出電壓可能高于也可能低于輸入電壓時(由輸出或輸入變化引起)，則采用升降壓轉(zhuǎn)換器 (圖2c)比較合適。升壓轉(zhuǎn)換器的缺點是，輸入電壓的任何瞬變(可使輸入電壓升高并超過輸出電壓)都會導致LED上流過很大電流 (由于負載的低動態(tài)阻抗)，從而損壞LED。升降壓轉(zhuǎn)換器也可代替升壓轉(zhuǎn)換器，因為輸入電壓的瞬變不會影響LED電流。

升降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

對于低電壓應用中的LED驅(qū)動器，升降壓轉(zhuǎn)換器是一種不錯的選擇。其原因有多種，下面列舉了其中一部分：它們可用高于和低于輸入電壓的電壓來驅(qū)動LED串 (升壓和降壓)；很高的效率(很容易到達85%以上)；非連續(xù)工作模式可抑制輸入電壓的變化(提供優(yōu)良的線電壓調(diào)節(jié))；峰值電流控制模式允許轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié) LED電流，而無需復雜的補償(簡化設計)；很容易實現(xiàn)線性和PWM LED亮度調(diào)節(jié)；

開關(guān)晶體管失效不會損壞LED。

　


圖2a：降壓轉(zhuǎn)換器。圖2b：升壓轉(zhuǎn)換器。圖2c：升降壓轉(zhuǎn)換器。
但是，這種方法仍有兩個缺點：峰值電流受控并采用非連續(xù)電流模式的升降壓轉(zhuǎn)換器是一種功率恒定的轉(zhuǎn)換器，因此，LED串電壓的任何變化都會引起LED電流相應改變；另一個問題是，LED開路狀態(tài)會在電路中產(chǎn)生損壞轉(zhuǎn)換器的高電壓；此外，還需要額外的電路將恒定功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣娏鬓D(zhuǎn)換器，并在無負載情況下保護轉(zhuǎn)換器。 　


圖3為升降壓轉(zhuǎn)換器應用電路圖，控制器內(nèi)置了用于設定開關(guān)頻率的振蕩器。在開關(guān)周期之初，Q1導通。由于輸入電壓VIN加在電感上，電感電流(iL(t))開始從零(初始穩(wěn)定狀態(tài))開始上升。



其中，L是電感值。IC通過測量電阻RL兩端的電壓間接監(jiān)測電感電流。當該感應電壓上升至預先設定的電壓值(ipk)時， Q1關(guān)閉。開關(guān)導通時間(ton)由式(2)確定。



此時，存儲在電感內(nèi)的總能量(J)為



盡管開關(guān)關(guān)閉，流經(jīng)電感的電流并不會中斷。這會使二極管D1導通，并在電感兩端產(chǎn)生輸出電壓(-VO)，這個負電壓會導致電感電流迅速下降。



經(jīng)過時間tOFF后，電感電流趨于零。此時間可通過公式(5)計算：



為使轉(zhuǎn)換器工作在非連續(xù)導通模式下，開關(guān)導通時間與電感電流下降時間總和必須小于或等于開關(guān)周期 TS，這可確保在下一個開關(guān)周期電感電流從零開始。



在輸入電壓最小和輸出電壓最大的情況下(tON+t)OFF)取得最大值。因此，確保在這些電壓下轉(zhuǎn)換器工作于非連續(xù)導通模式可保證在任何情況下都能滿足公式6所示的條件。

轉(zhuǎn)換器從輸入端獲得的功率(Pin)可由式(3)乘以開關(guān)頻率fs得到。



假設LED串電壓(VO)恒定且效率為100%，那么LED電流(iLED)為



受在峰值電流控制模式下，ipk是一個固定值。因此，LED電流完全獨立(理論上)于輸入電壓。在固定的ipk下，輸入電壓的上升(下降)會引起晶體管的導通時間成反比例減少(增加)，這將提供很好的線電壓調(diào)節(jié)。在實際應用中，從控制IC檢測到電流峰值到GATE引腳實際關(guān)斷之間的延遲會引起輸入功率變化。導通時間比較短的設計會由于延遲時間而出現(xiàn)更多誤差，因為延遲時間將會占導通時間的相當大部分。

　


圖3：升降壓轉(zhuǎn)換器。
式(8)也表明LED電流與LED串電壓成反比。一個標稱輸出為20V和350mA的電路將在10V輸出電壓時產(chǎn)生700mA的電流，這顯然不是期望的結(jié)果。但是，通過使開關(guān)頻率與輸出電壓成正比，式(8)提供了一種將恒定功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為恒定電壓轉(zhuǎn)換器的方法。假設fs=K×VO，其中K是常數(shù)，　




這樣，LED電流將獨立于輸入和輸出電壓。

回掃轉(zhuǎn)換器的另一個缺點是它易受輸出開路狀態(tài)的影響。當LED開路時，存儲在電感內(nèi)的能量在每次開關(guān)導通時間的最后都會被轉(zhuǎn)移到輸出電容里。缺少供電容放電的負載而導致電容兩端的電壓逐漸上升，最后超過器件的標稱值并損壞功率級。通過增加額外的電路(下部分將介紹)可提供輸出電壓反饋及過壓保護。

輸出電壓反饋

圖4顯示了實現(xiàn)過壓保護和LED開路保護所需額外電路。

很多峰值電流模式控制器IC具有專用的RT引腳。與該引腳相連的電阻用來設置內(nèi)部電流，該內(nèi)部電流用來給振蕩器電容(可以是內(nèi)部或外部)充電。振蕩器電容上的斜坡電壓控制開關(guān)頻率，這樣，開關(guān)頻率與RT引腳的輸出電流成正比。電阻越小(大)，電流就越大(小)，開關(guān)頻率也就越高(低)。基于這一原理，可利用輸出電壓反饋來調(diào)整開關(guān)頻率。

電阻R3和R4構(gòu)成一個分壓器。R4上的電壓減去晶體管Q2基極和發(fā)射極之間的壓降(Vbe)就是R5上的電壓。因此，流經(jīng)R5的電流(IR5)為



該電流是利用匹配的晶體管對從控制IC的引腳RT獲得的。因此，



其中，KIC是所選用的控制器的電流到頻率的倍增常數(shù)。

如果電阻R4上的電壓降遠遠大于Vbe，則(VR5-Vbe)≈VR5，且



圖4中的電阻R2用于啟動轉(zhuǎn)換器。啟動狀態(tài)下，輸出電壓為零，因而IR5也為零。由于沒有來自控制器RT引腳的電流，轉(zhuǎn)換器無法啟動。增加電阻R2可以在啟動狀態(tài)下獲得一小部分電流，并使R2的大小滿足



其中V(RT)是控制器RT引腳上的電壓。這樣可確保轉(zhuǎn)換器能夠啟動，并將R2帶來的誤差降至最低。例如，選擇R3=R4，式(10)簡化為：



這里假定輸出電壓比Q2的基極－發(fā)射極壓降大得多。

結(jié)合式(8)、(10)、(11)和(14)，可以得到輸出LED電流為



這樣LED電流不再決定于輸入或輸出電壓。

采用電阻R6、晶體管Q3和齊納二極管D2可增加過壓保護功能。在LED開路狀態(tài)下，當開關(guān)導通時，電感存儲能量，當開關(guān)關(guān)閉時，該能量轉(zhuǎn)移到輸出電容上。因為沒有足夠的負載供電容放電，輸出電壓在每個周期都會逐漸升高。當電壓升高到超過齊納二極管的導通電壓時，由D2和R6組成的齊納二極管分支電路開始導通。這也提供了一條通過Q3基極電流的路徑，使Q3導通。此時，電阻R4實際上被短路。因此，Q2的基極發(fā)射極的PN結(jié)將關(guān)閉，導致R5上的電流為零。這將停止控制器的內(nèi)部振蕩直到輸出電壓降到齊納二極管電壓以下，以上過程繼續(xù)進行。這種猝發(fā)模式可將LED開路狀態(tài)下的平均功率降至最小。這種過壓保護方法將強制控制IC進入低頻、低功率的工作模式。

齊納二極管電阻分支電路上的電流必須能在R6上產(chǎn)生足夠大的電壓，以便為晶體管基極－發(fā)射極PN結(jié)提供偏置。

PWM亮度調(diào)節(jié)

　


圖4：帶過壓保護和輸出電壓反饋電路的升降壓轉(zhuǎn)換器
在帶有輸出電流反饋的開關(guān)LED驅(qū)動器中，需要反饋補償來穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器，并調(diào)節(jié)電流以達到期望的電流值。這些反饋方案的瞬態(tài)響應性能是有限的，無法滿足 LED的PWM亮度調(diào)節(jié)所需要的快速開/關(guān)瞬態(tài)響應。然而，本文所描述的轉(zhuǎn)換器并不要求任何反饋補償。該控制方案所用的唯一反饋信息是通過傳感電阻獲得的流經(jīng)MOSFET的峰值電流。因為轉(zhuǎn)換器在每個周期都存儲了所需的能量，所以它可以對瞬態(tài)做出即時響應。因此它可以很方便地與PWM亮度調(diào)節(jié)方案一起工作。 　


本文小結(jié)

升降壓轉(zhuǎn)換器是低直流電壓輸入LED驅(qū)動器的有效解決方案，無論輸出電壓高于還是低于輸入電壓，它都可以驅(qū)動LED串。此外，還可在轉(zhuǎn)換器中增加小型而低廉的額外電路以克服負載調(diào)節(jié)和無負載狀態(tài)下的問題。該轉(zhuǎn)換器易于實現(xiàn)，在峰值電流模式控制時無需進行反饋補償設計。它所具有的開環(huán)特性也使之成為那些需要 PWM亮度調(diào)節(jié)的應用中的理想選擇。