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如何選擇LED驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

編輯：admin 2014-06-25 14:53:40 瀏覽：1022 來(lái)源：

LED 的高可靠性(使用壽命超過(guò) 50，000 個(gè)小時(shí))、較高的效率(》120 流明/瓦)以及近乎瞬時(shí)的響應(yīng)能力使其成為極具吸引力的光源。與白熾燈泡 200mS 的響應(yīng)時(shí)間相比，LED 會(huì)在短短 5nS 響應(yīng)時(shí)間內(nèi)發(fā)光。因此，目前它們已在汽車行業(yè)的剎車燈中得到廣泛采用。

驅(qū)動(dòng) LED

驅(qū)動(dòng) LED 并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。可調(diào)的亮度需要用恒定電流來(lái)驅(qū)動(dòng) LED，并且無(wú)論輸入電壓如何都必須要保持該電流的恒定。這與僅僅將白熾燈泡連接到電池來(lái)為其供電相比更具有挑戰(zhàn)性。

LED 具有類似于二極管的正向 V-I 特性。在低于 LED 開(kāi)啟閾值(白光 LED 的開(kāi)啟電壓閾值大約為 3.5V)時(shí)，通經(jīng)該 LED 的電流非常小。在高于該閾值時(shí)，電流會(huì)以正向電壓形式成指數(shù)倍遞增。這就允許將 LED 定型為帶有一個(gè)串聯(lián)電阻的電壓源，其中帶有一則警示說(shuō)明：本模型僅在單一的工作 DC 電流下才有效。如果 LED 中的 DC 電流發(fā)生改變，那么該模型的電阻也應(yīng)隨即改變，以反映新的工作電流。在大的正向電流下，LED 中的功率耗散會(huì)使設(shè)備發(fā)熱，此舉將改變正向壓降和動(dòng)態(tài)阻抗。在確定 LED 阻抗時(shí)充分考慮散熱環(huán)境是非常重要的。

當(dāng)通過(guò)降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng) LED 時(shí)，LED 常常會(huì)根據(jù)所選的輸出濾波器排列來(lái)傳導(dǎo)電感的 AC 紋波電流和 DC 電流。這不僅會(huì)提高 LED 中電流的 RMS 振幅，而且還會(huì)增大其功耗。這樣就可提高結(jié)溫并對(duì) LED 的使用壽命產(chǎn)生重要影響。如果我們?cè)O(shè)定一個(gè) 70%的光輸出限制作為 LED 的使用壽命，那么 LED 的壽命就會(huì)從 74 攝氏度度下的 15，000 小時(shí)延長(zhǎng)到 63 攝氏度度下的 40，000 小時(shí)。LED 的功率損耗由 LED 電阻乘以 RMS 電流的平方再加上平均電流乘以正向壓降來(lái)確定。由于結(jié)溫可通過(guò)平均功耗來(lái)確定，因此即使是較大的紋波電流對(duì)功耗產(chǎn)生的影響也不大。例如，在降壓轉(zhuǎn)換器中，等于 DC 輸出電流 (Ipk-pk = Iout) 的峰至峰紋波電流會(huì)增加不超過(guò) 10% 的總功率損耗。如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上面的損耗水平，那么就需要降低來(lái)自電源的 AC 紋波電流以便使結(jié)溫和工作壽命保持不變。一條非常有用的經(jīng)驗(yàn)法則是結(jié)溫每降低 10 攝氏度，半導(dǎo)體壽命就會(huì)提高兩倍。實(shí)際上，由于電感器的抑制作用，因此大多數(shù)設(shè)計(jì)就趨向于更低的紋波電流。此外，LED 中的峰值電流不應(yīng)超過(guò)廠商所規(guī)定的最大安全工作電流額定值。

LED驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇分析

采用AC-DC電源的LED照明應(yīng)用中，電源轉(zhuǎn)換的構(gòu)建模塊包括二極管、開(kāi)關(guān)(FET)、電感及電容及電阻等分立元件用于執(zhí)行各自功能，而脈寬調(diào)制(PWM)穩(wěn)壓器用于控制電源轉(zhuǎn)換。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC電源轉(zhuǎn)換包含反激、正激及半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，參見(jiàn)圖3，其中反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是功率小于30 W的中低功率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)選擇，而半橋結(jié)構(gòu)則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結(jié)構(gòu)中的變壓器而言，其尺寸的大小與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，且多數(shù)隔離型LED 驅(qū)動(dòng)器基本上采用“電子”變壓器。

圖1：LLC半橋諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用DC-DC電源的LED照明應(yīng)用中，可以采用的LED驅(qū)動(dòng)方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器等，基本的應(yīng)用示意圖參見(jiàn)圖4。電阻型驅(qū)動(dòng)方式中，調(diào)整與LED串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻即可控制LED的正向電流，這種驅(qū)動(dòng)方式易于設(shè)計(jì)、成本低，且沒(méi)有電磁兼容(EMC)問(wèn)題，劣勢(shì)是依賴于電壓、需要篩選(binning) LED，且能效較低。線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計(jì)且沒(méi)有EMC問(wèn)題，還支持電流穩(wěn)流及過(guò)流保護(hù)(fold back)，且提供外部電流設(shè)定點(diǎn)，不足在于功率耗散問(wèn)題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通過(guò)PWM控制模塊不斷控制開(kāi)關(guān)(FET)的開(kāi)和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)。

圖2：常見(jiàn)的DC-DC LED驅(qū)動(dòng)方式

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無(wú)關(guān)，且能控制亮度，不足則是成本相對(duì)較高，復(fù)雜度也更高，且存在電磁干擾(EMI)問(wèn)題。LED DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等不同類型。其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED串最大電壓時(shí)采用降壓結(jié)構(gòu)，如采用24 Vdc驅(qū)動(dòng)6顆串聯(lián)的LED；與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時(shí)采用升壓結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc驅(qū)動(dòng)6顆串聯(lián)的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)可以采用降壓-升壓或SEPIC結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc或12 Vac驅(qū)動(dòng)4顆串聯(lián)的LED，但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。

采用交流電源直接驅(qū)動(dòng)LED的方式近年來(lái)也獲得了一定的發(fā)展，其應(yīng)用示意圖參見(jiàn)圖5。這種結(jié)構(gòu)中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在線路電壓大于正向電壓時(shí)才導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢(shì)，如避免AC-DC轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的功率損耗等。但是，這種結(jié)構(gòu)中LED在低頻開(kāi)關(guān)，故人眼可能會(huì)察覺(jué)到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設(shè)計(jì)中還需要加入LED保護(hù)措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。