LED的高效驅(qū)動(dòng)

引言

隨著生產(chǎn)成本的降低，LED的應(yīng)用范圍越來越廣，包括手持終端設(shè)備、車載以及建筑照明。高可靠性、極佳的效率以及瞬態(tài)響應(yīng)能力使得它們成為很好的光源。盡管白熾燈泡的成本很低，但是多次更換白熾燈泡也將是一筆很大的開銷。路燈就是個(gè)很好的例子，完成此項(xiàng)工作需要一組工作人員及一輛卡車對(duì)故障燈泡進(jìn)行更換。因此，在此類應(yīng)用中，使用 LED 可以大大降低成本。雖然 LED 和白熾燈泡的效率幾乎相同，但在路燈應(yīng)用中，有時(shí)會(huì)因?yàn)橐恍┰?，?LED 代替白熾燈泡，這樣不但可以提高可靠性，而且還能節(jié)省能源。

白熾燈泡可以發(fā)出各種各樣的光線，但是在具體的應(yīng)用中，通常只需要綠色、紅色以及黃色光線——例如交通信號(hào)燈。若要使用白熾燈泡，則需要一個(gè)濾波器，這會(huì)浪費(fèi)掉 60% 的光能，而 LED 則可以直接產(chǎn)生所需顏色的光線，并且在上電時(shí)，LED 幾乎是瞬間發(fā)光，而白熾燈則需要 200ms的響應(yīng)時(shí)間。因此，在剎車燈設(shè)計(jì)中采用了 LED。另外，LED 將作為光源在 DLP 視頻應(yīng)用中使用，以替代機(jī)械匯編 (mechanical assembly)，其可進(jìn)行高頻率的切換。

LED的I-V 特性

圖 1 顯示了典型 InGaAlP LED(黃色和琥珀紅)的正向電壓特性。也可以把 LED 作為電壓源與電阻串聯(lián)建模，并查看模型與實(shí)際測(cè)量之間的良好關(guān)聯(lián)性。電壓源有一個(gè)負(fù)的溫度系數(shù)，當(dāng)結(jié)溫上升時(shí)，電壓源的正向電壓會(huì)發(fā)生負(fù)的變化。InGaAlP LED的系數(shù)在-3.0mV/K~-5.2mV/K 之間，而 InGaN LED(藍(lán)色、綠色和白色)的系數(shù)則在-3.6mV/K~-5.2mV/K 之間。這就是為什么不能直接對(duì) LED 進(jìn)行并聯(lián)的原因。產(chǎn)生熱量最多的器件需要更大的電流，更大的電
流會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)而引起散熱失控。


        
圖2顯示了作為工作電流函數(shù)的相對(duì)光輸出(光通量)。很明顯，光輸出與二極管電流是密切相關(guān)的，因此，可以通過改變正向電流進(jìn)行調(diào)光。并且，在電流較小時(shí)，曲線幾乎是一條直線，但是在電流增大時(shí)，其斜率變小了。這就是說，在電流較低的時(shí)候，若將二極管電流增大一倍，則光輸出也會(huì)增加一倍;但是電流較高的時(shí)候，情況就不是這樣了：電流上升 100% 僅能使光輸出量增加 80%。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)?LED 是由開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)的，這會(huì)導(dǎo)致在 LED 中產(chǎn)生相當(dāng)大的紋波電流。實(shí)際上，電源的成本在某種程度上是由所允許的電流大小決定的，紋波電流越大，電源成本就越低，但光輸出會(huì)因此受到影響。


        
圖3量化顯示了疊加于 DC 輸出電流之上的三角紋波電流所引起的光輸出的減少。在絕大多數(shù)情況下，該紋波電流的頻率高于肉眼可以看到的 80Hz。并且，肉眼對(duì)光線的響應(yīng)是指數(shù)式的，不能察覺出小于 20% 的光線減弱。因此，即使 LED 中出現(xiàn)相當(dāng)大的紋波電流，也不會(huì)察覺出光輸出的減少。



紋波電流也通過提高功耗而影響 LED 性能，這可能導(dǎo)致結(jié)溫升高，并對(duì) LED 的使用壽命產(chǎn)生重大影響。

圖4 量化顯示了由于紋波電流造成的LED功耗的升高。與LED的散熱時(shí)間常量相比，由于紋波頻率較高，因此，高紋波電流(以及高峰值功耗)不會(huì)影響峰值結(jié)溫，它是由平均功耗確定的。LED的高壓降如一個(gè)電壓源，因此，電流波形對(duì)功耗沒有影響。不過，壓降有一個(gè)電阻分量，并且功耗由電阻乘以均方根 (RMS)電流的平方確定。



圖4 也闡明了即使在紋波電流較大的時(shí)候，對(duì)功耗也沒有重大影響。例如，50%的紋波電流僅增加不足5%的功率損耗。當(dāng)大大超過此水平時(shí)，需要減小電源的DC電流以保持結(jié)溫不變，從而維持半導(dǎo)體的使用壽命。經(jīng)驗(yàn)法則顯示，結(jié)溫每降低10%，半導(dǎo)體使用壽命就會(huì)延長(zhǎng)兩倍。并且，許多設(shè)計(jì)都傾向于更小的紋波電流，這是因?yàn)殡姼衅鞯南拗?。絕大多數(shù)電感的設(shè)計(jì)處理能力小于20%的Ipk/Iout紋波電流比率。

典型應(yīng)用

LED 中的電流在很多情況下都是由鎮(zhèn)流電阻或線性穩(wěn)壓器控制的。不過，本文主要講述的是開關(guān)穩(wěn)壓器。在驅(qū)動(dòng) LED 時(shí)常用的三種基本電路拓?fù)錇椋航祲和負(fù)浣Y(jié)構(gòu)、升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取決于輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系。

在輸出電壓始終小于輸入電壓的情況下，應(yīng)使用降壓穩(wěn)壓器，圖5顯示了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該電路中，對(duì)電源開關(guān)的占空比 (duty factor) 進(jìn)行了控制，以在輸出濾波器電感 L1 上確立平均電壓。當(dāng)FET開關(guān)閉合時(shí)(TPS5430 內(nèi)部)，其將輸入電壓連接到電感器，并在L1中構(gòu)建電流。D2為環(huán)流二極管 (catch diode)，可提供開關(guān)斷開時(shí)的電流路徑。電感器可對(duì)流過LED的電流起到平滑的作用，該工作可通過用電阻監(jiān)控(測(cè)量)LED電流，并將電壓與控制芯片內(nèi)部的參考電壓進(jìn)行比較，最終進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果電流太低，則占空比增加，平均電壓也上升，從而也導(dǎo)致了電流的升高。該電路具有極佳的效率，因?yàn)殡娫撮_關(guān)、環(huán)流二極管以及電流感測(cè)電阻上的壓降非常低。