LED驱动拓扑结构的选择及示例分析

在现代的照明市场中，LED已经占据了半壁天下。这种全新的照明技术已经成功的进入到了我们的生活当中。随着市场需求的增加，从事LED设计的人员也越来越多。对于新手来说，初级LED照明电路的设计并不算难，但是拓扑电路的选择往往会成为一个比较让人头疼的问题。本篇文章将对LED驱动电源的拓扑结构选择进行指导。 　　LED驱动电源的拓扑结构选择 图1 LLC半桥谐振拓扑结构 　　在LED驱动电路当中，经常会添加带有变压的交流到直流电源转换功能，其中包含了反激、正激及半桥等拓扑结构。如图1所示，其中反激拓扑结构是功率小于30 W的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。就隔离结构中的变压器而言，其尺寸的大小与开关频率有关，且多数隔离型LED 驱动器基本上采用“电子”变压器。 图2 常见的DC-DC LED驱动方式 　　图2是设计当中比较常见的一些直流驱动方式。这种驱动方式相较于其他的方法来说设计简单、成本低廉，并且最大的特点是不受到EMC的干扰，但也有不足，就是依赖于电压、需要筛选(binning) LED，且能效较低。采用DC-DC电源的LED照明应用中，可以采用的LED驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，电阻型驱动方式中，调整与LED串联的电流检测电阻即可控制LED的正向电流，线性稳压器同样易于设计且没有EMC问题，还支持电流稳流及过流保护(fold back)，且提供外部电流设定点，不足在功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压器通过PWM控制模块不断控制开关(FET)的开和关，进而控制电流的流动。 　　高能效是开关稳压器的优点，但是更高的能效产生就意味着更多的成本投入，不仅如此，开关稳压器的结构也较为复杂，并且无法摆脱EMI的问题。LED DC-DC开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)、单端初级电感转换器(SEPIC)等不同类型。其中，所有工作条件下最低输入电压都大于LED串最大电压时采用降压结构，如采用24 Vdc驱动6颗串联的LED;与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构，如采用12 Vdc驱动6颗串联的LED;而输入电压与输出电压范围有交迭时，可以采用降压-升压或SEPIC结构，如采用12 Vdc或12 Vac驱动4颗串联的LED，但这种结构的成本及能效最不理想。 图3 直接采用交流驱动LED的示意图 　　从最初的简单电路构造，发展到先如今的直流电源直接驱动，LED技术已经经历了较为长远的一段发展时间。直流电源驱动的应用示意图如图3所示。这种结构中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势，如避免AC-DC转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中LED在低频开关，故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外，在这种设计中还需要加入LED保护措施，使其免受线路浪涌或瞬态的影响。 　　LED拓扑选择示例分析 图4 备选的LED 电源拓扑 　　图4当中给出的表格是LED驱动拓扑选择的参考，这里列出的是比较常用的几个，黑色的圆点表示在此种情况下应该选择哪种拓扑结构。如果只是使用较为简易的电阻器或线性稳压器来驱动LED的话，也是可以的。但是此类方法通常会浪费过多功率。所有相关的设计参数包括输入电压范围、驱动的LED数量、LED电流、隔离、EMI抑制以及效率。大多数的LED驱动电路都属于下列拓扑类型：降压型、升压型、降压-升压型、SEPIC 和反激式拓扑。 图5 简单的降压和升压型拓扑为LED 供电 　　在图5当中给出了三种较为基本的拓扑，前两个为BUCK型，最后一个为BOOST型。第一个示意图所显示的降压稳压器适用于输出电压总体小于输入电压的情形。在图5中，降压稳压器会通过改变MOSFET的开启时间来控制电流进入LED。电流感应可通过测量电阻器两端的电压获得，其中该电阻器应与LED串联。对该方法来说，重要的设计难题是如何驱动MOSFET。从性价比的角度来说，推荐使用需要浮动栅极驱动的N通道场效应晶体管(FET)。这需要一个驱动变压器或浮动驱动电路(其可用于维持内部电压高于输入电压)。 　　相信稍有基础的人都能看出来，图5当中的第二个电路为备选的降压稳压器，其中的MOSFET对接地进行驱动，从而大大降低了驱动电路要求。该电路可选择通过监测FET电流或与LED串联的电流感应电阻来感应 LED电流。后者需要一个电平移位电路来获得电源接地的信息，但这会使简单的设计复杂化。 　　另外，图5中还显示了一个升压转换器，该转换器可在输出电压总是大于输入电压时使用。由于MOSFET对接地进行驱动并且电流感应电阻也采用接地参考，因此此类拓扑设计起来就很容易。该电路的一个不足之处是在短路期间，通过电感器的电流会毫无限制。但是可以通过保险丝或电子断路器的形式来增加故障保护。此外，某些更为复杂的拓扑也可提供此类保护。 图6 降压-升压型拓扑可调节大于或小于 Vout的输入电压 　　图6当中的电路一般在输出电压和输入电压较为不稳定，呈现时高时低时使用。两者具有相同的折衷特性(其中折衷可在有关电流感应电阻，以及栅极驱动位置的两个降压型拓扑中显现)。图6中的降压-升压型拓扑显示了一个接地参考的栅极驱动。它需要一个电平移位的电流感应信号，但是该反向降压-升压型电路具有一个接地参考的电流感应和电平移位的栅极驱动。如果控制IC与负输出有关，并且电流感应电阻和LED 可交换，那么该反向降压-升压型电路就能以非常有用的方式进行配置。适当的控制IC，就能直接测量输出电流，并且MOSFET也可被直接驱动。 图7 降压或升压型以及 SEPIC 拓扑提供了更高的效率 　　但是这种方法存在一定的缺陷，就是电流会比较高。如，输出电压和输入电压相同时，电感和电源开关电流则为输出电流的两倍。这会对效率和功耗产生负面的影响。在许多情况下，图7中的“降压或升压型”拓扑将缓和这些问题。在该电路中，降压功率级之后是一个升压。如果输入电压高于输出电压，则在升压级刚好通电时，降压级会进行电压调节。如果输入电压小于输出电压，则升压级会进行调节而降压级则通电。通常要为升压和降压操作预留一些重叠，因此从一个模型转到另一模型时就不存在静带。 　　当然该电路也是有优点存在的，就是当输出和输入的电压对等时，开关和电感器电流也近乎等同于输出电流。电感纹波电流也趋向于变小。即使该电路中有四个电源开关，通常效率也会得到显著的提高，在电池应用中这一点至关重要。图7中还显示了 SEPIC 拓扑，此类拓扑要求较少的 FET，但需要更多的无源组件。其好处是简单的接地参考 FET 驱动器和控制电路。此外，可将双电感组合到单一的耦合电感中，从而节省空间和成本。但是像降压-升压拓扑一样，它具有比“降压或升压”和脉动输出电流更高的开关电流，这就要求电容器可通过更大的 RMS 电流。 图8：反激式转换器可提供隔离和功率因数校正功能 　　当然，在考虑效率的基础上，所有的效率就都应出于对安全的考虑，一般来说都会规定在离线电压和输出电压之间使用隔离。在此应用中，最具性价比的解决方案是反激式转换器(请参见图8)。它要求所有隔离拓扑的组件数最少。变压器匝比可设计为降压、升压或降压-升压输出电压，这样就提供了极大的设计灵活性。 但其缺点是电源变压器通常为定制组件。此外，在 FET以及输入和输出电容器中存在很高的组件应力。在稳定照明应用中，可通过使用一个“慢速”反馈控制环路(可调节与输入电压同相的LED电流)来实现功率因数校正(PFC)功能。通过调节所需的平均LED电流以及与输入电压同相的输入电流，即可获得较高的功率因数。 　　现如今，很多的应用中都开始使用LED，而LED则要使用相应的拓扑结构来进行配合 。一般来说，决定使用哪个LED拓扑结构的，通常是输入电压、输出电压和隔离需求等因素。在输出输入电压不稳定的情况下，使用降压或着升压的方法来应对是正确的选择。但是当输入输出电压处于较为稳定的情况下时，选择机会变得比较困难，所以希望通过本篇，能够帮助大家积累在这方面的知识。