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高效率 LED 驱动电源设计

来源:    作者:     发布时间:2015-04-11 09:12:07     点击数:

典型应用
LED电流常由安定电阻或线性稳压器控制,但本文主要讨论交换式稳压器。LED驱动架构基本上可分为降压、升压和升降压等三种类型,实际架构则应由输入电压与输出电压的关系决定。


如果输出电压永远低于输入电压,则可采用图6所示的降压稳压器。在此电路里,输出滤波电感L1的平均电压是由功率开关的负载周期所控制。TPS5430内含的FET开关导通时会将输入电压连接到电感一体成型电感器L1并产生电流,逆向电压保护二极管D2则会在开关截止时提供另一条电流路径。L1电感可以稳定LED电流,因为电路会透过电阻监控LED电流,然后比较电阻电压与控制组件内部的参考电压以判断电流大小:如果电流太小,就增加功率开关的负载周期来提高L1电感的平均电压,以便让LED电流升高。这个电路的工作效率很高,因为功率开关、逆向电压保护二极管和电流感测电阻的电压降都很小。

图6 降压式LED驱动器会将输入电压转换为较低电压


如果输出电压永远大于输入电压,图7所示的升压转换架构就是最佳选择。这个设计除了控制电路外,同样会使用内含功率开关的组件U1。功率开关导通时,电流会通过电感到地。开关截止时,U1接脚1的电压会上升直到D1导通,电感也会经由输出电容C3和多个串联的LED开始放电。多数应用会利用C3稳定LED电流,若没有该电容,LED电流会变成在零与电感电流之间交替切换的不连续电流,不仅会降低LED的亮度,还会产生更多热量而缩短LED寿命。此电路也和前面一样利用电阻感测LED电流,再根据结果调整负载周期。注一体电感器意,此架构很大的缺点是没有提供短路保护,输出端短路会造成庞大电流通过电感与二极管,将导致电路故障或输入电压大幅下降。

图7 整合式升压LED驱动器将输入电压转换为高电压


如果输入电压的变动范围很大,有时高于输出电压,有时又低于输出电压,那么单纯的降压或升压架构就不适用。除此之外,升压应用还可能需要短路保护功能。在此状况下,设计人员应采用图8所示的升降压架构。这个电路与升压转换架构很类似,会在功率开关导通时建立电感电流,等到功率开关停止导通,电感电流就会通过输出电容和LED。这种设计与升压转换架构的区别在于输出电压不是正值,而是负电压。此架构还能在输出短路时将开关Q1切断,所以可以避免升压架构发生的短路问题。此电路的另一特点是尽管输出为负电压,感测电路却不需执行电压位准转换——因为控制组件的地线连接到负输出端,并直接测量感测电阻R100两端的电压。图8中虽然只有1个LED,实际应用却可串联多颗。另外要注意的是,输入电压与输出电压的总和不能超过控制组件的最大电压额定值。

图8 升降压架构支持很大的输入电压范围

控制回路设计
LED电源供应的电流回路设计要比传统电源供应的电压回路简单。电流回路的复杂性是由输出滤波架构决定的。图9就是三种常见架构,分别是单纯的电感滤波器(A)、典型的电源供应滤波器(B)和改良型滤波器设计(C)。

图9 三种不同的输出滤波架构

为每个功率级电路建立简单的P-Spice模型,以说明其控制特性的个别差异。其中降压转换功率FET与二极管的开关动作由一个10倍增益的压控电压源代表,LED由一个3Ω电阻串联6V电压源代表,LED与接地之间还有一个1Ω的一体电感器电流感测电阻。模拟结果如图10所示。

图10 三种滤波器架构的增益与相位图


电路A是相当稳定的一阶系统响应,其中,直流增益是由压控电压源、LED阻抗所构成的分压器以及电流感测电阻所决定电感器电路图,系统极点则由输出电感与电路阻抗决定。补偿电路设计也很简单,只要使用乙类放大器即可。


电路B由于包含输出电容,所以会有二阶响应。增加输出电容是因为某些应用在电磁干扰或散热因素的考虑下,不能容忍LED出现太大的纹波电流,因此需要输出电容来消除纹波电流。这个电路的直流增益与前面的电路相同,但它会在输出电感和电容所决定的频率点上产生一对复数极点。由于滤波电路的总相位移为180°,因此补偿电路设计必须谨慎以免系统不稳定。补偿电路设计与采用丙类放大器的传统电压模式电源供应很类似,但比电路A多出两颗零件和输出电容。1

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