驱动大功率LED之道

驱动大功率LED之道

　　摘要： 本文将讨论对驱动新型LED的恒定电流源(而不是电压源)的要求，并介绍驱动高亮度LED的各种方法。本文将介绍LED可采用的不同拓扑和配置，以及用开关稳压器和控制器驱动LED的方法，并讨论降压和升压拓扑以及这两种设计之间的折衷策略，同时还会介绍参考设计以及驱动这些大功率LED的几种解决方案。

　　关键词： 发光二极管(LED);高亮度LED(HB LED);正向电流(IF)降压;升压

　　简介

　　自上世纪60年代初问世以来，发光二极管(LED)已被用于许多半导体器件。从第一个LED问世到现在，LED技术已经取得了很大的技术进步。氮化镓(InGaN)和铟镓磷化铝(InGaAlP)的使用创造了更多各种各样的颜色(特别是采用InGaN工艺，通过紫外线发出的蓝光)，通过LED技术多彩的LED产品得以问世。此外，由于发光效率、光通量及功耗的改进，这些新的半导体材料能够产生更亮的光。过去大多数LED都是由5mA~20mA的电流驱动的，而现在一些制造商生产的HB LED是由1A甚至更大的连续电流驱动的。

　　过去从设计角度看，在操作小电流LED时，采用电阻器或线性稳压器提供驱动LED所需的电流是可以接受的。在这种小电流解决方案中，功耗是最小的，而且这种技术对于驱动许多应用中的LED来说足够了。随着更新一代HB LED所需的驱动电流(IF)的增加，要更多地考虑到LED本身和电流驱动电路的散热管理和功耗问题。除了上述原因外，LED也需要更大稳流来保持颜色、亮度和使用时间，因此现在逐渐采用开关稳压器和控制器来提供驱动HB LED所需的恒定电流。本文将介绍LED可以采用的不同拓扑和配置，以及用开关稳压器和控制器驱动LED的方法。

　　LED配置/拓扑

　　在驱动LED时有四种基本配置。选择最理想的拓扑和配置通常取决于应用以及技术规范和系统要求。设计人员需要考虑输入电压、要驱动的LED的数量、尺寸/布局限制、效率、散热管理以及光学等问题。第一种，也是最基本的一种拓扑是单个LED。采用这种设计的应用实例有汽车内顶灯(地图灯，阅读灯)。

　　第二种，可以用串联方式驱动LED。因为经过所有LED的驱动电流都是相同的(假设LED被适当的分档)，这种配置可以保证颜色和亮度达到最接近的匹配度。在这种情况下，必须注意整个串联串中的输入电压以及它和正向电压降(VF)之间的关系。这将决定将被用于驱动LED的功率拓扑，下文将会讨论这个问题。这方面的应用实例包括闪光灯和汽车尾灯/刹车灯。

　　驱动LED的第三种配置是以并联方式驱动。在这种配置中，可以以大于单个LED的最大正向电压的输入电压驱动许多个LED。再次声明，LED的分档是非常重要的，因为在并联配置中，由于LED之间的VF不同，色彩和/或亮度之间不匹配的可能性非常大。如图1所示，LED是并联连接的器件，电流和电压(I-V)之间的曲线急剧上升，因此，即使是电压发生很小的变化，用电压源驱动LED也会使正向电流的摆幅很大。

图1 驱动LED过程中的正向电压 v 电流

　　最后一种驱动LED的配置是将并联LED串以串联方式连接。这种配置对于驱动多个LED来说比较适合，但是只有一个LED串有恒定电流。二极管的电压调节次级串的电流，串联镇流电阻器通常用于进一步减小由VF不匹配造成的影响。此外，LED的累积VF不匹配度很可能会使从一个串到另一个串的亮度也不匹配。这种技术用于驱动一些显示器的小电流白色LED背光灯。这种配置的不同之处是串并联连接，在这种配置中，整个阵列(将整个阵列视为二端元件)的电流都是稳定的，并且假设各个支路会分享相等的电流。这种配置在汽车刹车灯/尾灯/转向灯中已经获得应用。LED封装中会包含若干个晶粒，但是，当从一个集中源产生大量光通量时，只有两个连接被证明是有效的。

　　功率拓扑

　　不管类型、尺寸或功率如何，由恒流驱动的所有LED都会达到最佳工作状态。以流明为单位测量的光输出与电流成正比，因此，LED制造商说明的是在特定的正向电流IF 下器件的特征(例如，流明、波束图和颜色)，而不是在特定的正向电压VF 下的特征。如图2所示。

图2 亮度(光强度)和颜色(波长)v LED的正向电流

　　当恒流源中要求高效和低功耗时，开关稳压器或控制器是驱动HB LED的最佳选择。下文讨论驱动LED的不同功率拓扑。开关稳压器具有高效、能够降低驱动LED的半导体的功耗以及减少向LED传热等优势。

　　降压稳压器

　　当整个串联或串并联串中的LED系统的输入电压大于最大的正向电压降时，可选择的最佳功率拓扑是标准降压稳压器。降压转换器(如图3a所示)由于带有输出感应器，所以是驱动恒流的理想选择。电感电流波纹DiL在降压转换器的设计中是一个已知的、受控制的量。在三种标准DC-DC转换器拓扑(降压、升压和降压-升压)中，只有降压转换器有与LED驱动中的平均负荷电流或IF 相等的平均电感电流。不管采用哪种控制方法，事实上，输出电流不会在开关循环的任何部分中发生瞬态变化，这使得恒定电压源向恒定电流源的转换变得更加容易。再说详细一些，许多基于降压转换器的恒流电路都可以在没有输出电容的情况下运行。

图3a：带有输出电容的降压稳压器
图3b: 不带输出电容的降压稳压器

　　在带有稳压器的电路中，采用开关稳压器设计电流源有两大标准：输出电流(DiL)的平均精确度以及DC组件顶部的波纹或AC电流。平均输出电流的公差取决于电流传感电路(包括电流传感电阻)的精确度和IC内部参考电压的精确度。LED波纹电流取决于输入电压、输出电压、开关频率，以及感应系数。

　　在以非连续导通模式(DCM)运行的电路中，可以对输出电流进行控制。当电路以连续导通模式(CCM)—通过感应器时，CCM始终保持正电流—运行时，降压转换器可以被很容易地辨别和感应。在。由于感应器与LED阵列分享相同的DC电流，而且保持通过所有LED的电流为恒流是首要目标，因此，CCM操作是运行驱动恒流的降压转换器的首选方式。

　　升压稳压器

　　当LED系统的输入电压小于应用中的整个串联串的最小正向电压降时，则需要一个升压稳压器。在低功率应用中，普遍采用的是开关电容升压转换器，但是，当电流约为100mA或以上时，它们的效率会迅速下降。感应升压稳压器也需要一部分输入电压并提供更高的输出电压，用感应器作为能量存储元件在高增压比(在这里，VO 远远大于VIN)和1至10安培的输出电流范围内可以提供高效率。在所有开关电源拓扑中，只有降压稳压器更有效。这是因为只有降压-升压稳压器在它们的开关循环的一部分中将输入电压与输出端连接起来。

　　图4给出用于驱动一个LED阵列的典型升压稳压器的电路图。如图3a和3b所示的降压电路，以前允许在输出电流中动态移动的同时调节输出电压的系统，现在已经转换为允许在输出电压中动态移动的同时保持输出电流的系统。

图4 采用美国国家半导体的LM5020的典型升压LED驱动

　　升压转换器的一个缺点是，当稳压器被禁用时，不能在输出端提供真正的关断。在输出端一直能看到最小电压(VIN-VD)，除非该电路用控制开关替代输出二极管。采用升压转换器的系统设计人员必须小心控制输入电压的瞬变，这偶尔会正向偏置LED阵列。允许不受控制的电流流过LED，会导致LED过热，这对于任何类型的LED来说都是主要故障。

　　另一种区分升压转换器和降压转换器差别的方法是升压稳压器需要一个输出电容。当开关导通时，电感未与LED串连接，输出电容会提供电流，以保持IF的正确平均输出水平和理想的波纹电流(DIF)量。幸运的是，电容量一般都非常低(典型值为1mF~10mF)，而不是典型的升压稳压器中的100微法拉。

　　当开关导通时，升压转换器将能量直接引入它们的存储元件(电感)中。能量由输出电容提供给负荷电容器，然后，负荷电容器和输出电容器在开关关闭时进行充电。开关占空比D与从输入端到输出端传输的能量之间的间接关系致使出现一种名为右半平面零点(RHPZ)的现象。这表明在校正输入电流(针对稳压器)或输出电压(针对稳流器)上发生的变化之前，系统暂时向相反方向移动的趋势。在所有拓扑(除降压稳压器以外)中都可以发现RHP零点，它们使得升压稳压器的控制环路的设计更加困难。PWM调光部分会解释为什么需要可以快速地从它们的“关闭”状态转向目标输出电流的转换器。RHP零点，结合阻止VO发生变化的输出电容使得升压转换器在响应PWM调光的速度上要比降压转换器慢。

　　降压-升压转换器

　　当LED系统(即整个串联串的总正向电压降)的输出电压既可能大于，也可能小于应用中的输入电压时，就必须采用降压-升压稳压器。现有的各种拓扑都可以升高和降低输入电压。最普遍的是回扫转换器、SEPIC(单端初级电感转换器)转换器和Cuk稳压器。VO 可以比VIN 高或低，在极性上可与VIN相同或相反。每种拓扑都有独特的优势，但是，所有拓扑的效率都比降压-升压稳压器低，因为它们都采用电感或电容作为中间能量存储元件。

　　单电感降压-升压稳压器采用浮动开关，如降压稳压器，许多降压稳压器和控制器都可以用于设计单感应式降压-升压稳压器。在各种升/降压拓扑中，这种拓扑采用的零部件数量最少。单电感降压-升压转换器的主要缺点是输出电压的极性是反向的。对于许多稳流器来说，只要电流感测电路正确地设计为控制器或稳压器IC，这就不是问题。采用降压稳压器或控制器时的另一种技术是将整个电路设计为负输出量(图5)。这种技术解决了电流感测的参照问题，但没有解决PWM调光信号的参照问题。

图5 用作降压-升压稳压器的降压IC

　　用耦合感应器(有时称为回扫变压器)替换降压-升压稳压器的感应器会产生回扫拓扑。耦合感应器可使初级驱动转换至低侧拓扑，这种拓扑相对来说更简单，也更便宜。回扫拓扑一般用于需要功率从150W转换至5W以下，VIN 上升8倍的时候，或当需要扩大开关的最大电压或电流的时候。由于开关接地，升压稳压器IC通常可以用作回扫稳压器。

　　SEPIC(单端初级电感转换器)拓扑还可以用作降压-升压稳压器，提供低于或高于输入电压、与输入电压拥有相同极性的输出电压。例如，SEPIC拓扑可以提供在10~15V之间变化的12V输入电压。如果没有SEPIC，这一实例可以采用两个稳压器来实现，即在升压稳压器之后用一个降压稳压器或单个回扫稳压器。低侧稳压器和控制器可以用在SEPIC拓扑中，当需要真正关断时，SEPIC对于替换升压电路很有用。

　　Cuk稳压器是一种在电源教科书中非常普遍，但是还没有被广泛使用的拓扑。人们对这种拓扑的兴趣不断增加，因为它是唯一一种带有感应输出的升压降压拓扑。这使得Cuk转换器可以在没有输出电容的情况下驱动LED，就如同降压转换器一样。像其它升压/降压转换器一样，Cuk存在右半平面(RHP)零点并且更难控制。Cuk转换器还可以逆变它们的输出端极性，这需要为它们的电流感测和PWM调光电路进行电平移动和/或逆变。

　　表1列出了普遍使用的升压/降压拓扑，以及它们的主要优点和缺点。

　　通过调光控制LED的亮度

　　脉宽调制(PWM)是用于调暗LED，以控制LED系统中的光输出的主要方法。LED中的光输出随着IF的变化(在制造商规定的范围内)而以一种线性方式改变，但在单色LED中，发射光的主频也是不同的。对于以磷为基质的白色LED，其相关色温(CCT)是不同的。线性调光能用于在颜色/CCT上的这种变化被判定为可接受的应用中。这些应用的实例包括闪光灯、阅读灯，以及只有很少量的LED的系统，在这种系统中，从一盏灯到另一盏灯之间的颜色、CCT或亮度上的差别不是很明显。对于诸如汽车刹车灯、LCD背光灯，以及直视RGB灯等应用而言，亮度和颜色要求对于这种方法来说太过严格。为了减少这些应用中的光输出，同时对颜色和CCT进行严格控制，一个已知的、受控制的电流必须流经LED阵列串，然后，用受控制的占空比进行斩波控制。

　　电流源输出端的PWM的另一种方法是斩波控制电源输入电压，也称之为“剧场调光”，这种方法普遍用于客车。一般情况下，这种情况在低频(50Hz~1000Hz)时发生。必须对这种方法和开关稳压器的使能管脚的PWM进行仔细分析，以防PWM频率和开关频率之间发生交互。输入电压的PWM或使能管脚可使开关稳压器发生振荡。基本的规则是保持开关频率至少高出PWM频率两个数量级将会消除这种交互。

　　驱动LED的须知事项

　　除了在驱动LED时可选择的各种功拓扑以外，还要考虑到一些其它的须知事项。LED系统设计者必须意识到对穿过LED的短路或系统中的开路LED故障采取必要的保护措施。配置为恒流源的开关稳压器在处理穿过LED阵列的短路上没有问题，但是，如果LED作为开路发生故障，则会将它们的输出电压驱动至系统限额。开路故障在HB LED中更加普遍，故障源于在过电流或热过载期间，捆绑电线有断裂的趋势。如果是降压稳压器，输出电压可以上升到和输入电压一样高，是占空比限额的几倍。由于许多基于降压稳压器的电流源采用很小的输出电容或不采用输出电容，因此，用户可以选择限定输出电路来处理最大输入电压，并且只需在开路条件下使输出电压上升即可。在这种情况下，电流由很小变为没有，因此，热应力出现的机会很小。

　　如果是升压转换器和降压-升压转换器，开路系统的输出电压是未定义的，而且可以超出稳压器IC、功率半导体，以及输出滤波器的额定电压。防止输出电压失控的一种简单的方法是在输出端到反馈输入端之间放置一个齐纳二极管，利用在许多开关稳压器上都可以找到的过电压比较器。

　　此外，LED系统设计者应注意驱动高亮度LED带来的散热管理问题。虽然在本文中没有讨论这一话题，但是作者希望设计人员意识到设计和HB LED应用中的散热问题。

　　结语

　　随着照明世界逐渐向LED过渡，要驱动新型高亮度LED必须有足够的电子器件来提供电能。我们已经介绍了在一个系统中配置LED的一些基本方法以及可以用于驱动LED的可能的功率拓扑。对于LED配置以及功率拓扑的特定解决方案取决于应用限制、系统技术规范和设计者的偏好。本文还提醒设计者 ：在设计LED驱动系统的过程中应该意识到的潜在危险。我们只有采用正确的设计指导方能实现—LED点亮全世界—这一承诺。

来源：电子产品世界/作者：美国国家半导体 Neeraj Lal、Chris Richardson、Craig Varga