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利用降壓結(jié)構(gòu)實現(xiàn)LED驅(qū)動

2012年03月23日 09:23 本站整理 作者:秩名 用戶評論(0

  基于降壓的結(jié)構(gòu)可以與很多環(huán)路控制結(jié)構(gòu)很好的匹配,而且不用考慮穩(wěn)定性的限制,滯回控制適合在開關(guān)頻率變化比較快和輸入范圍比較小的情況下應用。這種特性剛好滿足LED電源的要求。

  隨著LED的廣泛應用,在很多地方線性電源這種簡單的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足需求。一般情況下,當用電阻的方式設(shè)定LED所需的正向電流的時候,這種簡單的驅(qū)動方式可以連續(xù)的由電源向負載提供能量。

  由于LED的電流與電阻上的相同,所以電阻上產(chǎn)生的功耗會隨輸入電壓的增加而增加。例如,一個用線性電源驅(qū)動的LED,效率為70%,用5V線性電源提供1A電流給一個典型的白光InGaNLED(VF=3.5V)。在相同的工作條件下,當輸入電壓上升到12V時,它的效率將會降到30%。在如此低效率的情況下是無法應用的。

  開關(guān)電源

  開關(guān)電源改善了由于輸入變化使得效率變化比較大的問題。這種方式是通過控制占空比的方式來滿足輸出所需要的電壓或電流。由于開關(guān)電源會產(chǎn)生脈沖式的電壓和電流,所以這就需要用一些儲能器件(電感或電容)對這些脈沖波形進行整形。

  和線性電源相反,開關(guān)電源可以通過不同的設(shè)置來實現(xiàn)電流或電壓的降、升或者同時升降的功能。開關(guān)電源同樣可以在寬的輸入或輸出范圍下實現(xiàn)高效率。在前面的例子中,用一個降壓型的開關(guān)電源取代線性電源后,當輸入電壓由5V變到12V后,電路的效率由95%變到98%。

  開關(guān)電源在效率和結(jié)構(gòu)的靈活性上得到了很大的提升,但由于周期性的開關(guān)造成了噪聲的增加,同時由于結(jié)構(gòu)的復雜使得電路的可靠性下降和成本的上升。恒流型LED電路可以被簡單的認為是一個恒流源。拓撲結(jié)構(gòu)的選擇應該考慮最少的外部原件和最好的性能為標準,這樣可以提高電路的穩(wěn)定性和減少成本。

  鑒于LED的動態(tài)調(diào)光特性好,在設(shè)計的時候要考慮使這種特性能夠方便應用。幸運的是,基本降壓開關(guān)電路在實現(xiàn)這些特性的時候表現(xiàn)的非常好,所以LED驅(qū)動一般選擇降壓型開關(guān)電源。

  恒流輸出級

  

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  圖1a:基本降壓型電壓調(diào)整器。

  開關(guān)調(diào)整器最常用的是電壓調(diào)整器。圖1a為一種基本恒壓型降壓調(diào)整器。降壓控制器可以在輸入電壓變化的情況下,通過控制占空比或頻率的變化使輸出電壓保持恒定。輸出所需的電壓由下面的公式計算得到(Eq.1)

  

式1

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  電感L用來設(shè)置電感電流紋波的峰-峰值ΔIpp的大小,電容Co用來設(shè)置輸出電壓紋波和輸出電壓的負載瞬態(tài)響應。在這種降壓型逆變器中電感的平均電流等于負載電流,因此我們可以通過控制電感電流紋波的峰-峰值來控制負載電流。這樣可以使電壓源控制的方式轉(zhuǎn)換成電流源控制的方式。

  

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  圖1b:基本電流型降壓調(diào)整器。

  圖1b為一種基本電流型降壓調(diào)整器。與恒壓型相似,恒流型降壓調(diào)整器可以在輸入電壓變化的情況下,通過控制占空比或頻率的變化使輸出電流IF保持恒定。輸出所需的電流由下面的公式計算得到(Eq.2):

  

式2

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  在我們設(shè)定好LED電流IF之后,我們必須準確的檢測電感上的電流。從理論上來說,檢測電感電流有很多方式,例如利用MOSFET的導通阻抗Rdson檢測或者用電感的直流電阻檢測。但是實際上這些檢測方式在精度上不能滿足LED電流設(shè)置的要求(高亮度LED的精度為5%-15%)。

  如果直接用電阻RFB來檢測IF,這樣在精度上就可以滿足要求,但是在電阻上將會產(chǎn)生額外的功耗。降低反饋電壓VFB,在同樣的檢測電流IF(圖.2)的情況下可以降低檢測電阻的阻值,這樣就可以使功耗降到最低。最新的LED驅(qū)動大多數(shù)提供的參考電壓(反饋電壓)在50-200毫伏之間。

  恒流降壓調(diào)整器獨特之處在于輸出可以不需要電容。因為有連續(xù)的輸出電流和不存在負載瞬態(tài)變化,這個調(diào)整器中輸出電容的作用只是局限于電流濾波器。當我們設(shè)置成沒有電容的恒流型降壓調(diào)整器時,此時輸出阻抗將大幅增加,而對于升壓型來說,由于輸出阻抗增加,為了滿足輸出電流恒定,輸出電壓也將會大幅增加。

  結(jié)果調(diào)光的速度和調(diào)光的范圍都有了顯著的提高。在應用過程中,從背光和機器視覺角度來說調(diào)光的范圍是一種非常有價值的特性。

  在另一方面,由于輸出電容不足,AC電流的紋波電路需要比較大的電感,以滿足LED紋波的要求(正向電流ΔIF=±5到20%)。在同樣的電流紋波時,大電感會增加面積和LED驅(qū)動的成本。因此在恒流降壓電路中,輸出電容的使用要在成本、面積和調(diào)光的速度、范圍之間經(jīng)行權(quán)衡。

  例如,用紋波電流驅(qū)動一個1A的白光LED(VF≈3.5V),ΔIF需要滿足±5%范圍內(nèi),輸入電壓12V,頻率為500kHz,在電感電流幅度為1.1A時,只能允許使用50mH的電感。然而如果電感的紋波電流允許增加±30%,那么電感將會小于10mH。

  如果10mH和50mH電感在使用相同的材料和相同的額定電流的情況下,在成本和體積方面,10mH大概只是50mH的一半。為了用10mH電感實現(xiàn)需求的ΔIF(±5%),輸出電容需要根據(jù)LED的動態(tài)電阻rD和檢測電阻RFB和在此開關(guān)頻率下電容的阻抗來計算,可以利用下面的表達式(Eq.3)

  

式3

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式4

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( 發(fā)表人:diyfans )

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