對(duì)驅(qū)動(dòng)新型LED的恒定電流源的要求（三）

July 25, 2019

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

 

當(dāng)LED系統(tǒng)(即整個(gè)串聯(lián)串的總正向電壓降)的輸出電壓既可能大于，也可能小于應(yīng)用中的輸入電壓時(shí)，就必須采用降壓-升壓穩(wěn)壓器?，F(xiàn)有的各種拓?fù)涠伎梢陨吆徒档洼斎腚妷骸Ｗ钇毡榈氖腔貟咿D(zhuǎn)換器、SEPIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換器和Cuk穩(wěn)壓器。VO 可以比VIN 高或低，在極性上可與VIN相同或相反。每種拓?fù)涠加歇?dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是，所有拓?fù)涞男识急冉祲?升壓穩(wěn)壓器低，因?yàn)樗鼈兌疾捎秒姼谢螂娙葑鳛橹虚g能量存儲(chǔ)元件。

 

單電感降壓-升壓穩(wěn)壓器采用浮動(dòng)開關(guān)，如降壓穩(wěn)壓器，許多降壓穩(wěn)壓器和控制器都可以用于設(shè)計(jì)單感應(yīng)式降壓-升壓穩(wěn)壓器。在各種升/降壓拓?fù)渲?，這種拓?fù)洳捎玫牧悴考?shù)量最少。單電感降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是輸出電壓的極性是反向的。對(duì)于許多穩(wěn)流器來說，只要電流感測(cè)電路正確地設(shè)計(jì)為控制器或穩(wěn)壓器IC，這就不是問題。采用降壓穩(wěn)壓器或控制器時(shí)的另一種技術(shù)是將整個(gè)電路設(shè)計(jì)為負(fù)輸出量(圖5)。這種技術(shù)解決了電流感測(cè)的參照問題，但沒有解決PWM調(diào)光信號(hào)的參照問題。

 

用耦合感應(yīng)器(有時(shí)稱為回掃變壓器)替換降壓-升壓穩(wěn)壓器的感應(yīng)器會(huì)產(chǎn)生回掃拓?fù)?。耦合感?yīng)器可使初級(jí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換至低側(cè)拓?fù)?，這種拓?fù)湎鄬?duì)來說更簡(jiǎn)單，也更便宜?；貟咄?fù)湟话阌糜谛枰β蕪?50W轉(zhuǎn)換至5W以下，VIN 上升8倍的時(shí)候，或當(dāng)需要擴(kuò)大開關(guān)的最大電壓或電流的時(shí)候。由于開關(guān)接地，升壓穩(wěn)壓器IC通?？梢杂米骰貟叻€(wěn)壓器。

 

SEPIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)拓?fù)溥€可以用作降壓-升壓穩(wěn)壓器，提供低于或高于輸入電壓、與輸入電壓擁有相同極性的輸出電壓。例如，SEPIC拓?fù)淇梢蕴峁┰?0~15V之間變化的12V輸入電壓。如果沒有SEPIC，這一實(shí)例可以采用兩個(gè)穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)，即在升壓穩(wěn)壓器之后用一個(gè)降壓穩(wěn)壓器或單個(gè)回掃穩(wěn)壓器。低側(cè)穩(wěn)壓器和控制器可以用在SEPIC拓?fù)渲?，?dāng)需要真正關(guān)斷時(shí)，SEPIC對(duì)于替換升壓電路很有用。

 

Cuk穩(wěn)壓器是一種在電源教科書中非常普遍，但是還沒有被廣泛使用的拓?fù)?。人們?duì)這種拓?fù)涞呐d趣不斷增加，因?yàn)樗俏ㄒ灰环N帶有感應(yīng)輸出的升壓降壓拓?fù)?。這使得Cuk轉(zhuǎn)換器可以在沒有輸出電容的情況下驅(qū)動(dòng)LED，就如同降壓轉(zhuǎn)換器一樣。像其它升壓/降壓轉(zhuǎn)換器一樣，Cuk存在右半平面(RHP)零點(diǎn)并且更難控制。Cuk轉(zhuǎn)換器還可以逆變它們的輸出端極性，這需要為它們的電流感測(cè)和PWM調(diào)光電路進(jìn)行電平移動(dòng)和/或逆變。

 

通過調(diào)光控制LED的亮度

 

脈寬調(diào)制(PWM)是用于調(diào)暗LED，以控制LED系統(tǒng)中的光輸出的主要方法。LED中的光輸出隨著IF的變化(在制造商規(guī)定的范圍內(nèi))而以一種線性方式改變，但在單色LED中，發(fā)射光的主頻也是不同的。對(duì)于以磷為基質(zhì)的白色LED，其相關(guān)色溫(CCT)是不同的。線性調(diào)光能用于在顏色/CCT上的這種變化被判定為可接受的應(yīng)用中。這些應(yīng)用的實(shí)例包括閃光燈、閱讀燈，以及只有很少量的LED的系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，從一盞燈到另一盞燈之間的顏色、CCT或亮度上的差別不是很明顯。對(duì)于諸如汽車剎車燈、LCD背光燈，以及直視RGB燈等應(yīng)用而言，亮度和顏色要求對(duì)于這種方法來說太過嚴(yán)格。為了減少這些應(yīng)用中的光輸出，同時(shí)對(duì)顏色和CCT進(jìn)行嚴(yán)格控制，一個(gè)已知的、受控制的電流必須流經(jīng)LED陣列串，然后，用受控制的占空比進(jìn)行斬波控制。

 

電流源輸出端的PWM的另一種方法是斬波控制電源輸入電壓，也稱之為“劇場(chǎng)調(diào)光”，這種方法普遍用于客車。一般情況下，這種情況在低頻(50Hz~1000Hz)時(shí)發(fā)生。必須對(duì)這種方法和開關(guān)穩(wěn)壓器的使能管腳的PWM進(jìn)行仔細(xì)分析，以防PWM頻率和開關(guān)頻率之間發(fā)生交互。輸入電壓的PWM或使能管腳可使開關(guān)穩(wěn)壓器發(fā)生振蕩?；镜囊?guī)則是保持開關(guān)頻率至少高出PWM頻率兩個(gè)數(shù)量級(jí)將會(huì)消除這種交互。

 

驅(qū)動(dòng)LED的須知事項(xiàng)

 

除了在驅(qū)動(dòng)LED時(shí)可選擇的各種功拓?fù)湟酝?，還要考慮到一些其它的須知事項(xiàng)。LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須意識(shí)到對(duì)穿過LED的短路或系統(tǒng)中的開路LED故障采取必要的保護(hù)措施。配置為恒流源的開關(guān)穩(wěn)壓器在處理穿過LED陣列的短路上沒有問題，但是，如果LED作為開路發(fā)生故障，則會(huì)將它們的輸出電壓驅(qū)動(dòng)至系統(tǒng)限額。開路故障在HB LED中更加普遍，故障源于在過電流或熱過載期間，捆綁電線有斷裂的趨勢(shì)。如果是降壓穩(wěn)壓器，輸出電壓可以上升到和輸入電壓一樣高，是占空比限額的幾倍。由于許多基于降壓穩(wěn)壓器的電流源采用很小的輸出電容或不采用輸出電容，因此，用戶可以選擇限定輸出電路來處理最大輸入電壓，并且只需在開路條件下使輸出電壓上升即可。在這種情況下，電流由很小變?yōu)闆]有，因此，熱應(yīng)力出現(xiàn)的機(jī)會(huì)很小。

 

如果是升壓轉(zhuǎn)換器和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，開路系統(tǒng)的輸出電壓是未定義的，而且可以超出穩(wěn)壓器IC、功率半導(dǎo)體，以及輸出濾波器的額定電壓。防止輸出電壓失控的一種簡(jiǎn)單的方法是在輸出端到反饋輸入端之間放置一個(gè)齊納二極管，利用在許多開關(guān)穩(wěn)壓器上都可以找到的過電壓比較器。

 

此外，LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)注意驅(qū)動(dòng)高亮度LED帶來的散熱管理問題。雖然在本文中沒有討論這一話題，但是作者希望設(shè)計(jì)人員意識(shí)到設(shè)計(jì)和HB LED應(yīng)用中的散熱問題。

 

結(jié)語

 

隨著照明世界逐漸向LED過渡，要驅(qū)動(dòng)新型高亮度LED必須有足夠的電子器件來提供電能。我們已經(jīng)介紹了在一個(gè)系統(tǒng)中配置LED的一些基本方法以及可以用于驅(qū)動(dòng)LED的可能的功率拓?fù)洹?duì)于LED配置以及功率拓?fù)涞奶囟ń鉀Q方案取決于應(yīng)用限制、系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范和設(shè)計(jì)者的偏好。本文還提醒設(shè)計(jì)者 ：在設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的過程中應(yīng)該意識(shí)到的潛在危險(xiǎn)。我們只有采用正確的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方能實(shí)現(xiàn)—LED點(diǎn)亮全世界—這一承諾。

 

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