中心議題：
- 穩(wěn)定電流驅(qū)動LED以維持固定亮度
- LED應(yīng)用于不同領(lǐng)域的多種電源拓撲比較
隨著發(fā)光二極管(led)生產(chǎn)成本下降，使用也越來越普遍，應(yīng)用范圍由手持裝置到汽車、建筑照明等領(lǐng)域。LED的可靠度高(使用壽命超過五萬小時)，效率佳(每瓦超過120流明)，并具有近乎實時反應(yīng)的特性，成為極具吸引力的光源。LED可在5奈秒的時間內(nèi)產(chǎn)生光，而白熱燈泡的反應(yīng)時間則是200毫秒，因此汽車工業(yè)已將LED運用于煞車燈上。本文將針對LED特性以及驅(qū)動LED的折沖情形進行介紹，深入探討適合LED驅(qū)動及調(diào)光的各種切換式電源拓撲，并詳細說明相關(guān)優(yōu)點。
1 穩(wěn)定電流驅(qū)動LED維持固定亮度
LED驅(qū)動仍面臨許多挑戰(zhàn)，要維持固定的亮度，需要以穩(wěn)定電流驅(qū)動LED，且不受到輸入電壓的影響，相較于白熱燈泡單純接上電池作為電源的挑戰(zhàn)更大。
LED具有順向V-I特性，與二極管情形類似。白光LED的開啟閾值約為3.5伏特，在此閾值之下，通過LED的電流量非常少。超過此閾值之后，電流會以指數(shù)方式增強，造成順向電壓遞增，LED因而成為具有串聯(lián)電阻的電壓來源模型。不過須要注意，此模型僅在直流電流單一操作的情況下有效，如果LED中的直流電流改變，則模型中的電阻也應(yīng)該改變，以顯現(xiàn)新的操作電流。在大量順向電流的情況下，LED中所消耗的電力會提升裝置溫度，改變順向壓降與動態(tài)阻抗，決定LED阻抗時，務(wù)必考慮環(huán)境的熱度。
如果LED是由降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動，除了直流電流之外，LED常會傳導(dǎo)電感的交流鏈波電流，根據(jù)所選擇的輸出濾波器安排情形而定。這會增加LED中電流的RMS強度，也會增加其功率的消耗，并使結(jié)點溫度升高，對LED的壽命有重大影響。如果在燈光輸出上設(shè)立70%的限制作為LED的使用年限，便可增加LED的壽命，由74℃的15,000小時，延長到63℃的40,000小時。LED中功率流失的判定方法，是將LED電阻乘上RMS電流的平方，加上由平均電流乘上順向壓降的數(shù)值。由于結(jié)點溫度是由平均功率所決定，即使出現(xiàn)大量的鏈波電流，對功率消耗的影響也很小。舉例來說，在降壓穩(wěn)壓器當中，相等于直流輸出電流的峰間鏈波電流(Ipk-pk=Iout)，總功率損耗將增加不到10%。如果是大于此程度相當多的情況，則必須降低供應(yīng)的交流鏈波電流，以維持結(jié)點溫度及操作壽命。在此有一個實用的基本原則，就是結(jié)點溫度降低10℃，半導(dǎo)體的壽命就會增加兩倍。實際上大部分的設(shè)計，因為電感限制的關(guān)系，傾向使用低上許多的鏈波電流。另外，LED中的峰值電流，不應(yīng)超過制造商指定的最大安全操作額定值。
2 LED應(yīng)用于多種領(lǐng)域需多種電源拓撲支持
表1的信息可供作選擇LED驅(qū)動器最佳切換拓撲的參考。除了這些拓撲之外，也可以使用簡單的電流限制電阻或是線性穩(wěn)壓器，不過這些方法通常會耗用過多功率。輸入電壓范圍、驅(qū)動的LED數(shù)目、LED電流、隔離、電磁干擾(EMI)限制以及效能，都是相關(guān)的設(shè)計參數(shù)。大部分的LED驅(qū)動電路可分為以下幾種拓撲類別：降壓、升壓、降壓升壓、SEPIC以及返馳。
2.1 降壓穩(wěn)壓器和升壓轉(zhuǎn)換器
圖1顯示三個基本電源拓撲的例子，第一張圖所顯示的降壓穩(wěn)壓器，可使用于輸出電壓永遠小于輸入電壓的情形。圖1中，降壓穩(wěn)壓器改變金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)的導(dǎo)通時間，以控制進入LED的電流。可越過電阻測量電壓以進行電流偵測；電阻與LED為串聯(lián)狀態(tài)。驅(qū)動MOSFET是本方法在設(shè)計上的重大挑戰(zhàn)，如果從成本及效能的觀點來看，建議使用須要浮接閘極驅(qū)動的N信道FET。N信道FET須要使用驅(qū)動變壓器或是浮動驅(qū)動電路，兩者都可維持電壓高于輸入電壓。
圖1 供應(yīng)LED電力的簡易降壓及升壓拓撲[page]
圖1也顯示替代的降壓穩(wěn)壓器(Buck #2)。在此電路中，MOSFET的驅(qū)動與接地有關(guān)，大幅降低了驅(qū)動電路的需求。本電路偵測LED電流的方法為監(jiān)控FET電流，或是與LED串聯(lián)的電流偵測電阻。如果采用后者，則須要使用位準移位電路，將此信息送至接地電源，并將簡單的設(shè)計復(fù)雜化。同樣顯示于圖1中的升壓轉(zhuǎn)換器，則是在輸出電壓永遠大于輸入時使用。這種拓撲設(shè)計容易，因為MOSFET的驅(qū)動與接地有關(guān)，而電流偵測電阻也是屬于接地引用類型。此電路的缺點是在短路時，無法限制通過電感的電流，可以使用保險絲或電路斷路器，作為故障保護裝置。此外，還有一些較復(fù)雜的拓撲可提供這類保護。
2.2 降壓升壓電路
圖2顯示兩種降壓升壓電路，可在輸入電壓可能大于或小于輸出電壓的情形下使用。這些電路與前述兩種降壓拓撲有相同的折沖特點，與電流偵測電阻與門極驅(qū)動的位置有關(guān)。圖2的降壓升壓拓撲，顯示接地參考的閘極驅(qū)動。此拓撲需要位準移位電流偵測訊號，不過反向的升壓降壓拓撲則具有接地參考的電流偵測及位準移位閘極驅(qū)動。如果控制IC與負輸出有關(guān)，且電流偵測電阻與LED進行交換，即可利用有效的方式配置反向升壓降壓拓撲。只要適當控制IC，即可直接測量輸出電流，也可以直接驅(qū)動MOSFET。
圖2 降壓升壓拓撲中的輸入電壓，可大于或小于輸出電壓
2.3 升壓或降壓拓撲
降壓升壓的拓撲方式電流相對較高，舉例來說，如果輸入及輸出電壓相同，電感及電源開關(guān)電流是輸出電流的兩倍以上，這對效能及功率消耗會造成負面影響。圖3的「升壓或降壓」拓撲可減輕這些問題，在此電路中會有一個升壓功率級，之后則有一個降壓功率級。如果輸入電壓高于輸出電壓，升壓功率級就會提供電壓調(diào)節(jié)，而降壓功率級則只傳遞功率。如果輸入電壓低于輸出電壓，則降壓功率級提供電壓調(diào)節(jié)，升壓功率級傳遞功率。通常降壓及升壓的運作，會有一些重迭的時間，因此在變換模式時不會出現(xiàn)死區(qū)(Dead-band)。
圖3 降壓或升壓及SEPIC拓撲提供較高的效能
2.4 SEPIC拓撲
如果輸入與輸出電壓幾乎相同，則此電路所擁有的有利條件，就是開關(guān)與電感電流幾乎等于輸出電流，電感鏈波電流也會有較少的傾向。即使此電路中有四個功率開關(guān)，通常仍有顯著的效能增進現(xiàn)象，這是電池應(yīng)用的關(guān)鍵所在。圖3所顯示的SEPIC拓撲所需的FET較少，但是需要更多被動組件。SEPIC拓撲的優(yōu)勢，在于簡易的接地參考FET及控制電路。此外，雙通道電感可以結(jié)合為單耦合電感，節(jié)省面積與成本。不過和降壓升壓拓撲一樣，SEPIC拓撲的開關(guān)電流較「降壓或升壓」及脈沖輸出電流為高，需要能處理大量RMS電流的電容器。
2.5 返馳轉(zhuǎn)換器
基于安全考慮，可能會規(guī)定在脫機電壓及輸出電壓之間進行隔離。此應(yīng)用方式下，最節(jié)省成本的解決方法就是使用返馳轉(zhuǎn)換器(圖4)，在所有的隔離拓撲中，這種作法所需要的組件數(shù)量最少。變壓器匝數(shù)比可用來對輸出電壓進行降壓、升壓或降壓升壓，設(shè)計彈性很大，不過缺點在于電源變壓器基本上是訂制組件。此外，在FET以及輸入和輸出電容器中，也會有高組件應(yīng)力的情形出現(xiàn)。應(yīng)用固定燈光時，可以使用「慢速」的回饋控制循環(huán)，調(diào)節(jié)LED電流與輸入電壓同相位的情形，進行功率因子校正(PFC)。這樣可以調(diào)節(jié)所需的平均LED電流，并能調(diào)節(jié)輸入電流與輸入電壓同相位的情形，以提供高功率因子。
圖4 返馳拓撲可以提供隔離及功率因子校正[page]
LED調(diào)光技術(shù)：藉PWM降低亮度較佳
LED常須要調(diào)光，舉例來說，有時可能須要調(diào)整顯示亮度或是建筑照明。有兩種方式可以達到這個目標，一是降低LED電流，二是快速開關(guān)LED讓肉眼平均其亮度。效果最差的方法就是降低電流，因為燈光輸出與電流之間并不是完全的線性關(guān)系。此外，LED的顏色光譜在電流低于最大額定值時，會有偏移的傾向。人類對亮度的察覺是一種指數(shù)關(guān)系，因此如果要調(diào)整亮度，可能須要大幅度改變電流，這對電路設(shè)計的影響甚大。因為在最大電流下3%的調(diào)節(jié)錯誤，可能會因為電路容忍度，在10%的負載時出現(xiàn)30%以上的錯誤。藉由脈沖寬度調(diào)變(PWM)影響電流而降低亮度，是比較正確的作法，不過仍然有反應(yīng)速度的問題。在照明或顯示時，須要使用100Hz以上的脈沖寬度調(diào)節(jié)，人類眼睛才不會察覺到閃爍的情形。10%的脈沖寬度是在毫秒范圍之中，因此電源供應(yīng)的帶寬需要大于10kHz。
針對不同LED應(yīng)用的各種電源拓撲應(yīng)運而生
如同表2所示，LED已廣泛運用于各領(lǐng)域，因此需要許多種類的電源拓撲，支持LED的應(yīng)用。一般而言，必須考慮輸入電壓、輸出電壓及對隔離的需求，以做出適當選擇。
如果輸入電壓一定大于或小于輸出電壓，選擇就很明確，一定是降壓或升壓。但如果彼此關(guān)系并不明確，便不易做出選擇，有非常多的折沖作法，包括效能、成本以及可靠性等等。
