led照明技术知识之降压结构的实现

1、led照明技术知识之降压结构的实现在文章的第一部分，我们研究了基本的led光源和驱动方式。介 绍了一些简单的驱动方式，例如电压源/限流电阻的方式和线性稳压电源 方式，但led光源的功率需求和复杂程度的不断增加，使得这些简单的 驱动方式已经不在能满足要求。这样就需要种更加高级开关模式的led 驱动。那到底我们选择用什么样的开关方式呢？在第二部分，我们将探讨 为什么开关模式的led驱动用恒流降压电路表现最好，或者换种说法， 为什么要用降压模式？随着led的广泛应用，在很多地方线性电源这种简单的结构已经 不能满足需求。一般情况下，当用电阻的方式设定led所需的正向电流 的时候，这种简单的驱动方式可以

2、连续的由电源向负载提供能量。由于 led的电流与电阻上的相同，所以电阻上产生的功耗会随输入电压的增加 而增加。例如，一个用线性电源驱动的led,效率为70%,用5v线性电 源提供1a电流给一个典型的白光ingan led （vf = 35可。在相同的工 作条件下，当输入电压上升到12v时，它的效率将会降到30%。在如此 低效率的情况下是无法应用的。开关电源开关电源改善了由于输入变化使得效率变化比较大的问题。这种 方式是通过控制占空比的方式来满足输出所需要的电压或电流。由于开关 电源会产生脉冲式的电压和电流，所以这就需要用些储能器件（电感或 电容）对这些脉冲波形进行整形。和线性电源相反，开关电源

3、可以通过不 同的设置来实现电流或电压的降、升或者同时升降的功能。开关电源同样 可以在宽的输入或输出范围下实现高效率。在前面的例子中，用个降压 型的开关电源取代线性电源后，当输入电压由5v变到12v后，电路的效 率由95%变到98%。开关电源在效率和结构的灵活性上得到了很大的提升，但由于周 期性的开关造成了噪声的增加，同时由于结构的复杂使得电路的可靠性下 降和成本的上升。恒流型led电路可以被简单的认为是一个恒流源。拓 扑结构的选择应该考虑最少的外部原件和最好的性能为标准，这样可以提 高电路的稳定性和减少成本。鉴于led的动态调光特性好，在设计的时 候要考虑使这种特性能够方便应用。幸运的是，基本

4、降压开关电路在实现 这些特性的时候表现的非常好，所以led驱动一般选择降压型开关电源。恒流输出级开关调整器最常用的是电压调整器。图ia为一种基本恒压型降压 调整器。降压控制器可以在输入电压变化的情况下，通过控制占空比或频 率的变化使输出电压保持恒定。输出所需的电压由下面的公式计算得到 (eq. 1)% =电 % + r卿vinfi3atebasic buck controllergndfb图la：基本降压型电压调整器电感lh1来设置电感电流纹波的峰-峰值aipp的大小，电容co 用来设置输出电压纹波和输出电压的负载瞬态响应。在这种降压型逆变器 中电感的平均电流等于负载电流，因此我们可以通过控制

5、电感电流纹波的 峰-峰值来控制负载电流。这样可以使电压源控制的方式转换成电流源控 制的方式。图lb为一种基本电流型降压调整器。与恒压型相似，恒流型 降压调整器可以在输入电压变化的情况下，通过控制占空比或频率的变化 使输出电流if保持恒定。输出所需的电流由下面的公式计算得到(eq. 2)：vinngatebasic buck controllergndfbt丄 tix-l 叽covo图lb:基本电流型降压调整器在我们设定好led电流if之后，我们必须准确的检测电感上的 电流。从理论上来说，检测电感电流有很多方式，例如利h1m0sfet的 导通阻抗rdson检测或者用电感的直流电阻检测。但是实际上

6、这些检测 方式在精度上不能满足led电流设置的要求（高亮度led的精度为 5%-15%）。如果直接用电阻rfb来检测if,这样在精度上就可以满足耍 求，但是在电阻上将会产生额外的功耗。降低反馈电压vfb,在同样的检 测电流if （图 2）的情况下可以降低检测电阻的阻值，这样就可以使功耗降 到最低。最新的led驱动大多数提供的参考电压（反馈电压）在50-200毫 伏之间。恒流降压调整器独特之处在于输出可以不需耍电容。因为有连续 的输出电流和不存在负载瞬态变化，这个调整器中输出电容的作用只是局 限于电流滤波器。当我们设置成没有电容的恒流型降压调整器时，此时输 出阻抗将大幅增加，而对于升压型来说，由

7、于输出阻抗增加，为了满足输 出电流恒定，输出电压也将会大幅增加。结果调光的速度和调光的范围都 有了显着的提高。在应用过程中，从背光和机器视觉角度来说调光的范围 是一种非常有价值的特性。在另一方面，由于输出电容不足，ac电流的纹波电路需要比较大 的电感，以满足led纹波的要求（正向电流aif = ±5到20%）o在同样的 电流纹波吋，大电感会增加面积和led驱动的成本。因此在恒流降压电 路中，输出电容的使用耍在成本、面积和调光的速度、范围之间经行权衡。例如，用纹波电流驱动一个1a的白光led(vf = 35v), mf需 耍满足±5%范围内，输入电压12v,频率为500khz

8、,在电感电流幅度为 1.1a时，只能允许使用5omh的电感。然而如呆电感的纹波电流允许增 加±30%,那么电感将会小于lomho如果iomh和somh电感在使用相 同的材料和相同的额定电流的情况下，在成本和体积方面，iomh大概只 是5omh的一半。为了用iomh电感实现需求的厶if (±5 %),输出电容 需耍根据led的动态电阻rd和检测电阻rfb和在此开关频率下电容的 阻抗来计算，可以利用下面的表达式(eq. 3):，2x7txf x(zc-esr)环路控制结构基于降压的结构可以与很多环路控制结构很好的匹配，而且不用 考虑稳定性的限制，例如右半平面零点问题。除了和其他

9、调光方法兼容以 外，这种降压结构使得pwm调光变得容易。基于这种结构的led驱动 可以使系统设计人员提供更多的选择。滞回控制非常适合在开关频率变化 比较快和输入范围比较小的情况下应用，例如白纸灯泡和交通灯。由于滞 回控制不用考虑稳定性限制，所以不需要考虑环路补偿。不像环路控制那 样受带宽限制。利用滞回控制驱动降压led驱动(图.2a)使设计变得简单, 也减少了器件数量和成本。这种结构也使pwm调光的范围比其他结构好。利用滞回控制的led驱动非常适合在要求调光范围非常大和调光频率比 较高以及开关频率变化非常大的情况下应用。图2a：基本的滞冋控制降压驱动类似的滞回降压led驱动可以在固定频率操作和

10、不需要开关频 率变化的滞回控制之间提供了一个比较好的折中方案。控制开启时间的降 压led驱动（图2b）使用了一个滞回比较器和开启时间控制器。让开启时 间与输入电压成反比，这样可以让开关频率的变化减少的最小。运用这种 结构同样可以避免环路控制的带宽限制。运用不同的调光结构可以让调光 范围变得非常宽。图2b：开启时间控制的降压led驱动在一些情况下，例如许多自动控制应用中，led驱动与外部时钟 或与驱动之间进行同步吋要求减少噪音的于扰。在没有吋钟的滞回控制和 准滞回控制的结构在执行同步频率时会带来困难。相比来说，这个问题对 于由时钟控制的调整器来说就比较容易实现，例如图2c中固定频率的降 压led驱动。固定频率控制可以解决这个复杂的问题，但是由于它动态 响应的限制也影响了调光的范围。图2c：基本的固定频率的降压led驱动总之，降压led驱动的很多特点使其变得很有吸引力。它可以很 容易设置成电流源，也可以实现最少的外围元器件，器件少可以使得设计 变得简单，提高驱动的稳定性，也可以减少成本。降压结构的led适合 很多种控制方式使其应用的灵活性比较高。它输出可以省略输出电容，也 可以与其他不同的调光方式进行很好的匹配，这些特点可以允许它在高速 调光和宽范围调光的情况下应用。当应用允许的情况下，所有的这些特点 使得降压led驱动的拓扑结构有了很多的选择。什么样的应用条件不允许使用这种结