降压转换器的LED照明驱动器设计方案.doc

1、1 / 9 基 于 降 压 转 换 器 的 LED照 明 驱 动 器 设 计 虽然在输出电压可能高于也可能低于输入电压时，峰值电流模 式控制的非连续升降压转换器是LED驱动器的一个不错选择。但是， 采用这种升降压转换器来设计驱 动器时，LED电压的变化会改变LED电流，LED开路将导致输出端产生 过高的电压，从而损坏转换器。本文将详细讨论这种用于LED的转换 器设计，并给出多种克服其固有缺点的方法。 发光二极管(LED的应用已有很多年，随着最新技术的进步，它 们正逐渐成为照明市场中强有力的竞争者。新的高亮度LED具有很长 的寿命(约10万小时和很高的效率(约30流明/瓦。过去三十多年来 ，LE

2、D的光输出亮度每l824个月便会翻一番，而且这种增长势头还 会持续下去，这种趋势称为Haitz定律，相当于LED的摩尔定律。 从电气上来说，LED与二极管类似，它们也是单向导电(尽管它 们的反向阻断能力并不太好，高的反向电压很容易损坏(LED，并具 有与常规二极管类似的低动态阻抗V- I特性。另外，LED一般都有安全导通时的额定电流(高亮度LED的额 定电流一般为350mA或700mA。通过额定电流时，LED正向压降的差 异可能比较大，通常350mA白光LED的压降在34V之间。 驱动LED需要受控的DC电流。为了使LED的使用寿命长些，LED电 流中的纹波必须很低，因为高纹波电流会使LED产

3、生较大的阻性功耗 ，降低LED使用寿命。LED驱动电路需要更高效率，因为总体效率不 2 / 9 仅取决于LED本身，也与驱动电路有关。而工作于电流控制模式的开 关转换器是满足LED应用 的高功率及高效率要求的理想驱动方案。 驱动多个LED也需要仔细考虑。图1是LED的串并联连接电路。其 中图1(a为LED的并联连接电路。图1(h是LED的串联连接电路。由 于各个LED的动态阻抗和正向压降不相同，因此，如果没有外部均流 电路(如电流镜像，就不可能保证流过LED上的电流相同。此外，由 于一个LED 出现故障将使LED串断开，从而致使所有LED电流在剩下的LED串之间 分配，这将导致LED串上的电流

4、增大，从而可能损坏LED。因此，出 于上面两个原因，设计时一般不用如图1(a那样的并联LED电路。 因此，更好的做法是将LED串联起来。但该方法的缺点是，如果 一个LED 出现故障，则整个LED串将停止工作。让剩下的LED串继续工作的一 个简单办法是将一个齐纳二极管(其额定电压大于LED的最高电压与 每个(或每组 LED并联，如图1(b所示。这样，任何一个LED发生故障后，其电流 都会流到相应的齐纳二极管上，LED串的其余部分仍可正常工作。 3 / 9 基本的单阶开关转换器可分为三类：降压转换器、升压转换器 和升降压转换器。当LED串的电压低于输入电压时，降压转换器图2( a是理想的选 择。当

5、输入电压总是低于串输出电压时，则使用升压转换器比较合 适图2(b。当输出电压可能高于也可能低于输入电压时(由输出或输 入变化引起，则采用升降压转换器图2(c比较合适。升压转换器的 缺点是，输入电压的任何瞬变(可使输入电压升高并超过输出电压 都会导致LED上流过很大电流(由于负载的低动态阻抗，从而损坏LE D。升降压转换器也可代替升压转换器，因为输入电压的瞬变不会影 响LED电流。 升降压转换器的工作原理 对于低电压应用中的LED驱动器，升降压转换器是一种不错的选 择。其原因有它们可用高于和低于输入电压的电压来驱动LED串(升 压和降压、效率很高(很容易到达85%以上、非连续工作模式可抑 制输入

6、电压的变化(提供优良的线电压调节、峰值电流控制模式允 许转换器调节LED电流，而无需复杂的补偿(简化设计、很容易实现 线性和PWM 4 / 9 LED亮度调节、开关晶体管失效不会损坏LED等等。图2给出了降压、 升压和升降压转换器与LED串的连接电路。 但是，这种方法仍有缺点：一是峰值电流受控问题，因为采用 非连续电流模式的升降压转换器是一种功率恒定的转换器。因此，L ED串电压的任何变化都会引起LED电流的相应改变。另一个问题是LE D开路状态会在电路中产生损坏转换器的高电压。此外，还需要额外 的电路将恒定功率转换器转变为恒定电流转换器，并需要在无负载 情况下保护转换器。 图3所示为具体的升

7、降压转换器应用电路，该控制器内置了用于 设定开关频率的振荡器。在开关周 期之初，Q1导通。由于输入电压VIN加在电感上，电感电流(iL(t 开始从零(初始稳定状态开始上升。当感应电流上升至预先设定的 电流值 (ipk时，Q1关闭。开关导通时间(ton由下式确定： ton=ipkL/VIN 此时，存储在电感内的总能量(J为： J=Li2pk/2 5 / 9 这样，尽管此时开关会关闭，但流经电感的电流并不会中断。 这会使二极管D1导通，并在电感两端产生输出电压(- Vo，这个负电压会导致电感电流迅速下降。经过一定时间tOFF后， 电感电流趋于零。此时间可通过下列公式来计算： tOFF=ipkL/V

8、O 为使转换器工作在非连续导通模式下，开关导通时间与电感电 流下降时间的总和必须小于或等于开关周期TS，以便确保在下一个 开关周期时，电感电流能够从零开始。 事实上，在输入电压最小和输出电压最大的情况下，(tON+tOFF 可取得最大值。因此，确保在这些电压下转换器工作于非连续导通 模式可保证在任何情况下都能满足下式所列的条件： tON+tOFFTs 转换器从输入端获得的功率(Pin电感中的能量与开关频率f的 乘积：即： Pin=fsLi2pk/2 假设LED串的电压(VO恒定且效率为100%，那么LED的电流(iLED 为： iLED=PIN/VLED=Li2pkfs/2V 在峰值电流控制模

9、式下，ipk通常是一个固定值。因此，LED电 流完全独立(理论上于输入电压。在固定的ipk下，输入电压的上升 (下降会引起晶体管的导通时间成反比例减少(增加，这将提供很 好的线电压调节。在实际应用中，从控制IC检测到电流峰值到GATE 6 / 9 引脚实际关断之间的延迟会引起 输入功率变化。导通时间较短会由于延迟时间而出现更多误差，因 为延迟时间将会占导通时间相当大的部分。 实际上，LED电流与LED串的电压成反比。一个标称输出为20 V和350 mA的电路，将在 10V输出电压时产生700 mA的电流，这显然不是期望的结果。但是，通过使开关频率与输出 电压成正比，上述公式提供了一种将恒定功率

10、转换器转换为恒定电 压转换器的方法。 假设fs=KVO，其中K是常数，那么有： iLED=kLi2pk/2 这样，iLED将独立于输入和输出电压。 回扫转换器的另一个缺点是它易受输出开路状态的影响。当LED 开路时，存储在电感内的能量在每次开关导通时间的最后都会被转 移到输出电容里。这样，缺少电容放电的负载将导致电容两端的电 压逐渐上升，最后超过器件的标称值并损坏功率级。因此，可通过 增加额外电路来提供输出电压反馈及过压保护。 输出电压反馈 图4是一个可实现过压保护和LED开路保护的额外电路。实际上 ，很多峰值电流模式控制器IC都具有专用的RT引脚。与该引脚相连 的电阻可用来设 置内部电流，其

11、内部电流用来给振荡器电容(可以是内部或外部充 7 / 9 电。振荡器电容上的斜坡电压控制开关频率，这样，开关频率与RT 引脚的输出电流成正比。电阻越小(大，电流就越大(小，开关频 率也就越高(低。基于这一原理，可利用输出电压反馈来调整开关 频率。 在图4所示电路中，电阻R3和R4构成一个分压器。R4上的电压减 去晶体管Q2基极和发射极之间的压降(Vbe就是R5上的电压。因此， 流经R5的电流(IR5为： 该电流是利用匹配的晶体管对从控制IC的引脚RT获得的。 图4中的电阻R2用于启动转换器。在启动状态下，输出电压为零 ，因而IR5也为零。由于没有来自控制器RT引脚的电流，所以转换器 无法启动。

12、增加电阻R2可以在启动状态下获得一小部分电流，并使R 2的大小满足： IR5V(RT/R2 8 / 9 其中V(RT是控制器RT引脚上的电压。满足该条件可确保转换器 的启动，并将R2带来的误差降至最低。如选R3=R4，则有： IR5VO/2R5 这里假定输出电压比Q2的基极-发射极压降大得多。 这样，根据以上各公式便可以得到输出LED电流为： iLED=KICLi2pk/(22R5 这样，LED电流将不再决定于输入或输出电压。采用电阻R6、晶 体管Q3和齐纳二极管D2可增加过压保护功能。在LED开路状态下，当 开关导通时，电感存储能量，当开关关闭时，该能量转移到输出电 容上。因为没有足够的负载

13、供电容放电，输出电压在每个周期都会 逐渐升高。当电压升高到超过齐纳二极管的导通电压时，由D2和R6 组成的齐纳二极管分支电路开始导通。这也提供了一条通过Q3基极 电流的路径，使Q3导通。此时，电阻R4实际上被短路。因此，Q2的 基极发射极的PN结将关闭，导致R5上的电流为零。这将停止控制器 的内部振荡直到输出电压降到齐纳二极管电压以下，以上过程继续 进行。这种猝发模式可将LED开路状态下的平均功率降至最小。这种 过压保护方法将强制控制IC进入低频、低功率的工作模式。 齐纳二极管电阻分支电路上的电流必须能在R6上产生足够大的 电压，以便为晶体管基极-发射极之间的PN结提供偏置。 结束语 9 /

14、9 在带有输出电流反馈的开关LED驱动器中，一般还需要反馈补偿 来稳定转换器，并调节电流以达到期望的电流值。这些反馈方案的 瞬态响应性能是有限的，无法满足LED的PWM亮度调节所需要的快速 开/关瞬态响应。然而，本文所描述的转换器并不要求任何反馈补偿 。该控制方案所用的唯一反馈信息是通过传感电阻获得流经MOSFET 的峰值电流。因为转换器在每个周期都存储所需的能量，所以它可 以对瞬态做出即时响应。因此它可以很方便地与PWM亮度调节方案 一起工作。 升降压转换器是低直流电压输入LED驱动器的有效解决方案，无 论输出电压高于还是低于输入电压，它都可以驱动LED串。此外，还 可在转换器中增 加小型而低廉的额外电路以克服负载调节和无负载状态下的问题。 该转换器易于实现，且在峰值电流模式控制时无需进行反馈补偿没 计。它所具有的开环特性也使之成为那些需要PWM亮度调节的应用中 的理想选择。