中心論題：

• LED應用範圍的日益擴大對其驅動電路有了更高的要求
• 波紋電流是影響LED性能的主要原因
• LED驅動電路的性能主要取決於開關穩壓器和關閉控製環路的結構
  

解決方案：

• 根據輸入電壓和輸出電壓之間的關係采用不同的電路拓撲結構驅動LED
• 要根據輸出濾波器的配置決定關閉環路的複雜性
• 通過電流波形的脈寬調製 (PWM)可以實現對LED的有效調光

引言
隨著生產成本的降低
，LED的應用範圍越來越廣，包括手持終端設備
、車載以及建築照明。高可靠性
、極(ji)佳(jia)的(de)效(xiao)率(lv)以(yi)及(ji)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)能(neng)力(li)使(shi)得(de)它(ta)們(men)成(cheng)為(wei)很(hen)好(hao)的(de)光(guang)源(yuan)。盡(jin)管(guan)白(bai)熾(chi)燈(deng)泡(pao)的(de)成(cheng)本(ben)很(hen)低(di)，但(dan)是(shi)多(duo)次(ci)更(geng)換(huan)白(bai)熾(chi)燈(deng)泡(pao)也(ye)將(jiang)是(shi)一(yi)筆(bi)很(hen)大(da)的(de)開(kai)銷(xiao)。路(lu)燈(deng)就(jiu)是(shi)個(ge)很(hen)好(hao)的(de)例(li)子(zi)
，完(wan)成(cheng)此(ci)項(xiang)工(gong)作(zuo)需(xu)要(yao)一(yi)組(zu)工(gong)作(zuo)人(ren)員(yuan)及(ji)一(yi)輛(liang)卡(ka)車(che)對(dui)故(gu)障(zhang)燈(deng)泡(pao)進(jin)行(xing)更(geng)換(huan)。因(yin)此(ci)，在(zai)此(ci)類(lei)應(ying)用(yong)中(zhong)，使(shi)用(yong) LED 可以大大降低成本。雖然 LED 和白熾燈泡的效率幾乎相同，但在路燈應用中

，有時會因為一些原因

，用 LED 代替白熾燈泡，這樣不但可以提高可靠性，而且還能節省能源。

白熾燈泡可以發出各種各樣的光線，但是在具體的應用中
，通常隻需要綠色、紅色以及黃色光線——例如交通信號燈。若要使用白熾燈泡，則需要一個濾波器，這會浪費掉 60% 的光能，而 LED 則可以直接產生所需顏色的光線
，並且在上電時
，LED 幾乎是瞬間發光
，而白熾燈則需要 200ms的響應時間。因此
，在刹車燈設計中采用了 LED。另外，LED 將作為光源在 DLP 視頻應用中使用
，以替代機械彙編 (mechanical assembly)，其可進行高頻率的切換。

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 zuoweidianyayuanyudianzuchuanlianjianmo
，bingzhakanmoxingyushijiceliangzhijiandelianghaoguanlianxing。dianyayuanyouyigefudewenduxishu，dangjiewenshangshengshi，dianyayuandezhengxiangdianyahuifashengfudebianhua。InGaAlP LED的係數在-3.0mV/K~-5.2mV/K 之間，而 InGaN LED(藍色、綠色和白色)的係數則在-3.6mV/K~-5.2mV/K 之間。這就是為什麼不能直接對 LED 進行並聯的原因。產生熱量最多的器件需要更大的電流，更大的電流會產生更多的熱量

，進而引起散熱失控。

圖1 LED作為電阻與電壓源串聯建模

圖2顯示了作為工作電流函數的相對光輸出(光通量)。henmingxian，guangshuchuyuerjiguandianliushimiqiexiangguande，yinci，keyitongguogaibianzhengxiangdianliujinxingtiaoguang。bingqie，zaidianliujiaoxiaoshi，quxianjihushiyitiaozhixian，danshizaidianliuzengdashi

，qixielvbianxiaole。zhejiushishuo，zaidianliujiaodideshihou，ruojiangerjiguandianliuzengdayibei，zeguangshuchuyehuizengjiayibei;但是電流較高的時候，情況就不是這樣了：電流上升 100% 僅能使光輸出量增加 80%。這一點很重要，因為 LED 是由開關電源驅動的
，這會導致在 LED 中(zhong)產(chan)生(sheng)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)。實(shi)際(ji)上(shang)，電(dian)源(yuan)的(de)成(cheng)本(ben)在(zai)某(mou)種(zhong)程(cheng)度(du)上(shang)是(shi)由(you)所(suo)允(yun)許(xu)的(de)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)決(jue)定(ding)的(de)，紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)越(yue)大(da)，電(dian)源(yuan)成(cheng)本(ben)就(jiu)越(yue)低(di)，但(dan)光(guang)輸(shu)出(chu)會(hui)因(yin)此(ci)受(shou)到(dao)影(ying)響(xiang)。

圖2 電流超過 1A以上，LED效率就會降低

圖3量化顯示了疊加於 DC 輸出電流之上的三角紋波電流所引起的光輸出的減少。在絕大多數情況下
，該紋波電流的頻率高於肉眼可以看到的 80Hz。並且，肉眼對光線的響應是指數式的，不能察覺出小於 20% 的光線減弱。因此，即使 LED 中出現相當大的紋波電流，也不會察覺出光輸出的減少。

圖3 紋波電流對LED光輸出的輕微影響

紋波電流也通過提高功耗而影響 LED 性能，這可能導致結溫升高，並對 LED 的使用壽命產生重大影響。

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

圖4 紋波電流增加了LED的功耗

圖4 也闡明了即使在紋波電流較大的時候
，對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。當大大超過此水平時
，需要減小電源的DC電流以保持結溫不變，從而維持半導體的使用壽命。經驗法則顯示，結溫每降低10%
，bandaotishiyongshoumingjiuhuiyanchangliangbei。bingqie，xuduoshejidouqingxiangyugengxiaodewenbodianliu，zheshiyinweidianganqidexianzhi。juedaduoshudiangandeshejichulinenglixiaoyu20%的Ipk/Iout紋波電流比率。

典型應用
LED 中的電流在很多情況下都是由鎮流電阻或線性穩壓器控製的。不過
，本文主要講述的是開關穩壓器。在驅動 LED 時常用的三種基本電路拓撲為：降壓拓撲結構、升壓拓撲結構以及降壓/升壓拓撲結構。采用何種拓撲結構取決於輸入電壓和輸出電壓的關係。

在輸出電壓始終小於輸入電壓的情況下

，應使用降壓穩壓器，圖5顯示了該拓撲結構。在該電路中，對電源開關的占空比 (duty factor) 進行了控製，以在輸出濾波器電感 L1 上確立平均電壓。當FET開關閉合時(TPS5430 內部)，其將輸入電壓連接到電感器，並在L1中構建電流。D2為環流二極管 (catch diode)，可提供開關斷開時的電流路徑。電感器可對流過LED的電流起到平滑的作用，該工作可通過用電阻監控(測量)LED電(dian)流(liu)，並(bing)將(jiang)電(dian)壓(ya)與(yu)控(kong)製(zhi)芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu)的(de)參(can)考(kao)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)，最(zui)終(zhong)進(jin)行(xing)調(tiao)節(jie)。如(ru)果(guo)電(dian)流(liu)太(tai)低(di)
，則(ze)占(zhan)空(kong)比(bi)增(zeng)加(jia)


，平(ping)均(jun)電(dian)壓(ya)也(ye)上(shang)升(sheng)

，從(cong)而(er)也(ye)導(dao)致(zhi)了(le)電(dian)流(liu)的(de)升(sheng)高(gao)。該(gai)電(dian)路(lu)具(ju)有(you)極(ji)佳(jia)的(de)效(xiao)率(lv)
，因(yin)為(wei)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)
、環流二極管以及電流感測電阻上的壓降非常低。

圖5 降壓LED驅動器逐步降低輸入電壓

當輸出電壓總是比輸入電壓大時，最好采用升壓轉換電路，如圖6所示。該電路的U1有一個帶有控製電子器件的高度集成的電源開關。當開關閉合時
，電流流過電感器到接地。當開關斷開時，U1的引腳 1 電壓會升高
，直到D1導通。然後電感器放電

，電流進入輸出電容器(C3)和LED串。在絕大多數應用中，C3通常用於平滑LED電流。如果沒有C3，則 LED電流將是斷斷續續的。也就是說，它會在零和電感電流之間切換，這會導致 LED 熱量增加(從而縮短使用壽命)，亮度減少。在前麵的例子中，LED 的(de)電(dian)流(liu)是(shi)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)感(gan)測(ce)的(de)，並(bing)且(qie)占(zhan)空(kong)比(bi)會(hui)發(fa)生(sheng)相(xiang)應(ying)的(de)變(bian)化(hua)。請(qing)注(zhu)意(yi)，本(ben)拓(tuo)撲(pu)存(cun)在(zai)一(yi)個(ge)嚴(yan)重(zhong)的(de)問(wen)題(ti)，即(ji)它(ta)沒(mei)有(you)短(duan)路(lu)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)。若(ruo)輸(shu)出(chu)短(duan)路(lu)
，則(ze)會(hui)有(you)較(jiao)大(da)的(de)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)電(dian)感(gan)器(qi)和(he)二(er)極(ji)管(guan)
，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)電(dian)路(lu)失(shi)效(xiao)，或(huo)者(zhe)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)崩(beng)潰(kui)。

圖6 高度集成的升壓LED驅動器逐步升高輸入電壓

許xu多duo時shi候hou輸shu入ru電dian壓ya範fan圍wei變bian化hua很hen大da
，可ke以yi高gao於yu或huo低di於yu輸shu出chu電dian壓ya
，此ci時shi降jiang壓ya拓tuo撲pu和he升sheng壓ya拓tuo撲pu結jie構gou就jiu不bu起qi作zuo用yong了le。並bing且qie，可ke能neng在zai升sheng壓ya應ying用yong中zhong需xu要yao短duan路lu保bao護hu。在zai這zhe些xie情qing況kuang下xia，就jiu需xu要yao使shi用yong降jiang壓ya/升壓拓撲結構(見圖7)。當電源開關閉合
、電感器有電流通過時
，該電路就相當於升壓電路;當電源開關斷開時
，電感器開始放電，電流進入輸出電容和 LED。不過

，輸出電壓不是正的，而是負的。此外，請注意本拓撲中不存在升壓轉換電路中出現的短路問題，因為其通過使電源開關Q1開(kai)路(lu)
，提(ti)供(gong)了(le)短(duan)路(lu)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)。該(gai)電(dian)路(lu)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)特(te)性(xing)是(shi)，雖(sui)然(ran)它(ta)是(shi)一(yi)個(ge)負(fu)的(de)輸(shu)出(chu)，但(dan)並(bing)不(bu)需(xu)要(yao)對(dui)傳(chuan)感(gan)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)平(ping)進(jin)行(xing)切(qie)換(huan)。在(zai)本(ben)設(she)計(ji)中(zhong)，控(kong)製(zhi)芯(xin)片(pian)接(jie)地(di)到(dao)負(fu)的(de)輸(shu)出(chu)，並(bing)且(qie)可(ke)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)電(dian)流(liu)感(gan)測(ce)電(dian)阻(zu)R100上的電壓。盡管本例中僅顯示了一個LED
，但是通過串聯可以連接許多LED。電壓的上限是控製芯片的最大額定電壓;輸入電壓加上輸出電壓的和不能超過該限值。

圖7 降壓/升壓電流可限製和處理廣泛的輸入範圍

關閉控製環路
關閉 LED 電源上的電流環路比關閉傳統電源上的電壓環路簡單。環路的複雜性取決於輸出濾波器的配置。圖8顯示了三種可能的配置：隻有一個簡單電感器的濾波器(A);一個典型的電源濾波器(B);以及一個修正後的濾波器(C)。

圖8 電位輸出濾波器設置

為每一個功率級都構建一個簡單的P-Spice模型，以闡明每一功率級控製特性的區別。降壓功率FET和二極管的切換建模為電壓控製的電壓源，增益為10dB，而LED則建模為與6V電壓源串聯的3W電阻。在LED和接地之間添加了一個1W的電阻
，用於對電流進行感測。在電路A中
，該響應來自穩定的一階係統。DC增益由電壓控製的電壓源確定
，LED電阻和電流感測電阻構成了分壓器，係統的極性由輸出電感和電路電阻決定
，補償電路則由類型2放大器構成。電路 B 由於增加了輸出電容
，因此有二階響應。若 LED 的紋波電流過大並達到難以接受的程度，則可能要求該輸出電容工作
，這是由於 EMI 或熱量等問題的出現造成的。DC 增益與第一個電路一樣。不過，在輸出電感和電容確定的頻率處有一對複極點。

濾波器的總相移為180.若沒有很好地設計補償電流，可能會導致係統不穩定。補償電流的設計與傳統電壓模式電源類似

，傳統電壓模式電源要求有一個類型3的放大器。與電路 A 相比
，補償電路增加了兩個組件以及一個輸出電容。在電路 3 中對輸出電容進行重定位，以便更容易對電路進行補償。LED 的紋波電壓與電路 B 類似，所不同的是
，電感的紋波電流流過電流感測電阻 R105。因此

，在計算功耗時也要考慮到這一部分。該電路有一個零點，一對極點，並且其補償設計與電路 A 一樣簡單，DC 增益也與前兩個電路相同。該電路的電容和 LED 串聯電阻引入了一個零點，並擁有兩個極點，一個由輸出電容和電流感測電阻確定;另一個則由電流感測電阻和輸出電感確定。在高頻率時，其響應與電路 A 一樣。

調光
通常需要對 LED 進行調光。例如


，需要調節顯示器或建築照明的亮度。實現上述目標有兩種方法：降低 LED 的電流，或快速對 LED 進行開關操作。更有效率的方法是降低電流，因為光輸出並不完全與電流呈線性關係，並且
，LED desepuzaidianliuxiaoyuedingzhishihuifashengbianhua。renmenduiliangdudeganzhishizhishuxingde
，yinci，tiaoguangkenengxuyaoduidianliujinxinghendagenggai
，zhehuiduidianlushejizaochenghendadeyingxiang。kaolvdaodianluderongcha，mandianliuzhigongzuoshi，3%的調節誤差可以造成10%負載時的30%或更高的誤差。通過電流波形的脈寬調製 (PWM) 進行調光更為準確，盡管這種方法存在響應速度問題。在照明和顯示器應用上，PWM頻率高於 100Hz
，以使肉眼感覺不到閃爍。10% 的脈衝寬度在ms量級內，並要求電源的帶寬大於 10kHz，此項工作可以通過圖8(A 與 C)中簡單的環路完成。圖9為帶 PWM 調光功能的降壓功率級電路。在本例中，LED 輕鬆地閉合/斷開電路。通過這種方式，控製環路總是處於激活狀態
，並實現了極快的瞬態響應。

圖9 Q1 用於PWM LED電流

結語
雖然 LED 的應用日益流行，但還有許多電源管理問題亟待解決。在需要高度可靠性和安全性的車載市場上，LED 器件得到了廣泛的應用。車載電氣係統對電源質量要求很高，因此，必須設計保護電路，以避免在電壓超過 60V 時出現“拋負載”現象。建築 LED 的電源設計問題也很多
，需要進行功率因數矯正
，以及對電流和亮度的控製。另外
，LED 正被集成於投影和電視等產品中，此類產品要求快速的響應、良好的電流控製
，以及完美的開關控製，這些都給設計人員提出了新的挑戰。