让LED更高效的驱动设计
1 引言
LED的市场越来越广阔，究其原因，无外乎低廉的生产成本、高可靠性、极佳的效率以及瞬态响应能力，无论是手持终端设备，还是车载乃至建筑照明，无不在用到LED。白炽灯在现在的生活中虽然还是应用的主力，白炽灯泡可以发出各种各样的光线，但是在具体的应用中我们通常只需要绿色、红色以及黄色光线--例如交通信号灯。若要使用白炽灯泡，则需使用一个滤波器，这会浪费一些光能，而LED则可以直接产生所需颜色的光线，并且在上电时，LED几乎是瞬间发光，而白炽灯则需要200mS的响应时间。因此，LED比白炽灯更能使用这个时代的用电需求。
2 LEDI-V特性
图1显示了典型InGaAlPLED的正向电压特征。您也可以把LED作为电压源与电阻串联建模，并查看模型与实际测量之间的密切关联性。电压源拥有一个负的温度系数，当结温上升时，电压源的正向电压会发生负的变化。InGaAlPLED（黄色和琥珀红）的系数在-3.0mV/K到-5.2mV/K之间，而InGaNLED（蓝色、绿色以及白色）的系数则在-3.6mV/K和-5.2mV/K之间。这就是为什么不能直接对LED进行并联的一个原因。产生热量最多的器件往往需要更大的电流，更大的电流会产生更多的热量，进而引起散热失控。
图1 LED作为电阻与电压源串联建模
图2显示了作为工作电流函数的相对光输出（光通量）。很明显，光输出与二极管电流是密切相关的，因此可以通过改变正向电流进行调光。并且，在电流较小时，曲线几乎是一条直线，但是在电流增大时，其斜率变小了。这就是说，在电流较低的时候，若将二极管电流增大一倍，则光输出也会增加一倍；但是电流较高的时候，情况就截然不同了：电流上升100%仅能使光输出量增加80%。这一点很重要，因为LED是由开关电源驱动的，这会导致在LED中产生相当大的纹波电流。实际上，电源的成本在某种程度上是由所允许的电流大小决定的，纹波电流越大，电源成本就越低，但光输出会因此受到影响。
图2 电流超过1A以上，LED效率就会降低
图3量化显示了叠加于DC输出电流之上的三角纹波电流所引起的光输出的减少。在绝大多数情况下，该纹波电流的频率高于肉眼可以看到的80Hz。并且，肉眼对光线的响应是指数式的，不能察觉出小于20%的光线减弱。因此，即使LED中出现相当大的纹波电流，我们也不会察觉出光输出的减少。
图3 纹波电流对LED光输出的轻微影响
此外，纹波电流还通过提高功耗而影响LED性能，这可能导致结温升高，而且对LED的使用寿命有重大影响。图4给出了一个例子，其中LED的相对光输出是时间和结温的函数。如果我们确立了LED的使用寿命光输出为额定的80%，则LED的使用寿命将从74摄氏度时的10000小时延长到63摄氏度时的25000小时。
图4 高结温会缩短LED的使用寿命
图5量化显示了由于纹波电流造成的LED功耗的增加。与LED的散热时间常量相比，由于纹波频率较高，因此高纹波电流（以及高峰值功耗）不会影响峰值结温，其是由平均功耗决定的。LED的大部分压降就像一个电压源，因此电流波形对功耗没有影响。然而，压降有一个电阻分量，并且功耗由该电阻乘以均方根（RMS）电流的平方决定。
图5还阐明即使是在纹波电流较大的时候，对功耗也没有重大影响。例如，50%的纹波电流仅增加不到5%的功率损耗。当大大超过此水平时，您需要减小电源的DC电流以保持结温不变，从而维持半导体的使用寿命。根据经验结温每降低10摄氏度，半导体的使用寿命就会延长两倍。并且，由于电感的限制许多的设计都倾向于更小的纹波电流。绝大多数的电感的设计旨在处理小于20%的Ipk/Iout纹波电流比率。
图5 纹波电流增加了LED的功耗
3 典型应用
LED中的电流在很多情况下都是由镇流电阻或线性稳压器进行控制的。但是，本文中我们主要讲述的是开关稳压器。在驱动LED时常用的三种基本的电路拓扑为：降压拓扑、升压拓扑以及降压-升压拓扑。采用何种拓扑结构取决于输入电压和输出电压的关系。
在输出电压始终小于输入电压的情况下，应使用降压稳压器，图6显示了该拓扑结构。在该电路中，对电源开关的占空比（dutyfactor）进行了控制，以在输出滤波器电感L1上确立平均电压。当FET开关闭合时（TPS5430内部），其将输入电压连接到电感，并在L1中形成电流。环流二极管D2提供了开关断开时的电流路径。电感可对流经LED的电流起到平滑的作用，通过用电阻监控（测量）LED电流，并将该电压与控制IC内部的参考电压进行比较，从而最终实现对流经LED的电流的调节。如果电流太低，则占空比增加，平均电压也上升--从而也就导致了电流的升高。由于电源开关、环流二极管以及电流检测电阻上的压降非常低，该电路可提供极佳的效率。
图6 降压LED驱动器逐步降低输入电压
当输出电压总是比输入电压大时，最好是采用如图7所示的升压转换电路。该电路的U1中也有一个带有控制电子器件的高度集成的电源开关。当开关闭合时，电流流经电感到接地。当开关断开时，U1引脚1上的电压会不断升高，直到D1导通。然后电感放电，电流进入输出电容器（C3）和LED串。在大多数应用中，C3通常用于平滑LED电流。如果没有C3，则LED电流将是断断续续的。也就是说，它会在零和电感电流之间切换，这会导致LED热量增加（从而缩短使用寿命），并且亮度减少。在前面的例子中，LED的电流是通过一个电阻检测的，并且占空比会发生相应地变化。请注意本拓扑存在一个严重的问题，即它没有短路保护电路。若输出短路，则会有较大的电流通过电感器和二极管，从而导致电路故障，或者输入电压崩溃。
图7 高度集成的升压LED驱动器逐步升高输入电压
许多时候输入电压范围变化很大，其可以高于或低于输出电压，此时降压拓扑和升压拓扑结构就不起作用了。并且，可能在升压应用中需要短路保护。在这些情况下，您可能非常想使用降压-升压拓扑结构（请参见图8）。当电源开关闭合、电感有电流通过时该电路就相当于升压电路；当电源开关断开时，电感开始放电，电流进入输出电容和LED。不过，输出电压不是正的，而是负的。此外，请注意本拓扑中不存在像升压转换转中出现的短路问题，因为其通过使电源开关Q1开路，提供了短路保护功能。该电路的另一个值得注意的特性是虽然其是一个负的输出，但并不需要对传感电路的电平进行转换。在本设计中，控制IC接地到负的输出，并且可直接测量电流检测电阻R100上的电压。尽管本例中仅显示了一个LED，但是通过串联可以连接许多LED。电压的上限是控制IC的最大额定电压；输入电压加上输出电压的和不能超过该限值。
图8 降压-升压电流可限制和处理广泛的输入范围
4 关闭环控制电路
关闭LED电源上的电流环路比关闭传统电源上的电压环路要简单的多。环路的复杂性取决于输出滤波器结构。图9显示了三种可能的结构：只有一个电感的简单滤波器（A）；典型的电源滤波器（B）；以及改良的滤波器（C）。
图9 电位输出滤波器结构
为每一个功率级都构建一个简单的P-Spice模型，以阐明每一功率级控制特性的区别。降压功率FET和二极管的开关动作建模为压控电压源，增益为10，而LED则建模为与6V电压源串联的3Ω的电阻。在LED和接地之间添加了一个1Ω的电阻，用于对电流进行检测，图10显示了其结果。在电路A中，该响应就是稳定的一阶系统的响应。DC增益由压控电压源（LED电阻和电流检测电阻构成的分压器）确定，系统的极性由输出电感和电路电阻决定，补偿电路则简单地由类型2放大器构成。电路B由于增加了输出电容，因此有二阶响应。若LED的纹波电流过大并达到难以接受的程度，则可能需要该输出电容，这是由于EMI或热量等问题的出现造成的。DC增益与第一个电路一样。不过，在输出电感和电容确定的频率处有一对复极点。
滤波器的总相移为180度。若没有很好地设计补偿电路，可能会导致系统不稳定。补偿电路的设计与传统电压模式电源相类似，传统电压模式电源要求有一个类型3的放大器。与电路A相比，该补偿电路增加了两个组件以及一个输出电容。在电路3中我们对输出电容进行了重定位，以便更容易对电路进行补偿。LED的纹波电压与电路B类似，所不同的是电感的纹波电流流过电流检测电阻R105。因此在计算功耗时也要考虑到这一部分功耗。该电路有一个零点，一对极点，并且其补偿设计与电路A差不多简单，DC增益也与前两个电路相同。该电路的电容和LED串联电阻引入了一个零极，并拥有两个极点，一个由输出电容和电流检测电阻确定；另一个则由电流检测电阻和输出电感确定。在高频率时，其响应与电路A一样。
图10 电位滤波器的增益和相位图
5 调光
通常，我们需要对LED进行调光。例如，您需要调低显示器或建筑照明的亮度。实现上述目标有两种方法：您既可以降低LED的电流，也可以快速地开关LED。效率最低的方法是降低电流，因为光输出并不完全与电流呈线性，并且LED的色谱往往是在电流小于额定值时才会发生变化。请不要忘记，人们对亮度的感知是指数式的，因此调光可能需要对电流进行很大更改，这对电路设计会造成很大的影响。考虑到电路的容差，满负载电流值工作时3%的调节误差可以造成10%负载时的30%或更高的误差。通过电流波形的脉宽调制（PWM）进行调光更为准确，尽管这种方法存在响应速度问题。在照明和显示器应用上，PWM需要高于100Hz的频率，以使肉眼感觉不到闪烁。10%的脉冲宽度在毫秒范围内，并要求电源的带宽大于10kHz，此项工作可以通过图9（A与C）中简单的环路轻松地完成。图11阐明了带PWM调光功能的降压功率级电路。在本例中，LED轻松地闭合/断开电路。通过这种方式，控制环路总是处于激活状态，并实现了极快的瞬态响应（请参见图12）。
图11 Q1用于对LED电流进行脉宽调制
图12 PWM技术可实现亚微秒的LED开关速度
6 结语
LED的应用和前景我们都有目共睹，但在实际生活中仍存在不少问题，需要去解决。在汽车应用中，由于对可靠性和安全性的要求非常高，LED器件就得到了最大程度的应用。车载电气系统对电源质量要求很高，因此，必须设计保护电路避免在电压超过60V时出现“抛负载”现象。建筑照明LED的电源设计问题也很多，由于其经常是离线式运行，因此需要进行功率因数校正，以及对电流和亮度的控制。另外，LED正被广泛地整合到投影和电视等产品中，此类产品要求快速的响应、控制良好的电流、以及完美的开关控制，这些都给设计人员提出了新的挑战，也就意味着LED将趋向更广阔的市场。