LED的高效驱动电路设计.pdf

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1、LED的高效驱动作者：■德州仪器公司RobertKollman引言随着生产成本的降低，LED的应用范围越来越广，包括手持终端设备、车载以及建筑照明。高可靠性、极佳的效率以及瞬态响应能力使得它们成为很好的光源。尽管白炽灯泡的成本很低，但是多次更换白炽灯泡也将是一笔很大的开销。路灯就是个很好的例子，完成此项工作需要一组工作人员及一辆卡车对故障灯泡进行更换。因此，在此类应用中，使用LED可以大大降低成本。虽然LED和白炽灯泡的效率几乎相同，但在路灯应用中，有时会因为一些原因，用LED代替白炽灯泡，这样不但可以提高可靠性，而且还能节省能源。白

2、炽灯泡可以发出各种各样的光线，但是在具体的应用中，通常只需要绿色、红色以及黄色光线——例如交通信号灯。若要使用白炽灯泡，则需要一个滤波器，这会浪费掉60%的光能，而LED则可以直接产生所需颜色的光线，并且在上电时，LED几乎是瞬间发光，而白炽灯则需要200ms的响应时间。因此，在刹车灯设计中采用了LED。另外，LED将作为光源在DLP视频应用中使用，以替代机械汇编(mechanicalassembly)，其可进行高频率的切换。LED的I-V特性图1显示了典型InGaAlPLED(黄色和琥珀红)的正向电压特性。也可以把LED作为电压源与

3、电阻串联建模，并查看模型与实际测量之间的良好关联性。电压源有一个负的温度系数，当结温上升时，电压源的正向电压会发生负的变化。InGaAlPLED的系数在-3.0mV/K~-5.2mV/K之间，而InGaNLED(蓝色、绿色和白色)的系数则在-3.6mV/K~-5.2mV/K之间。这就是为什么不能直接对LED进行并联的原因。产生热量最多的器件需要更大的电流，更大的电流会产生更多的热量，进而引起散热失控。图1LED作为电阻与电压源串联建模图2显示了作为工作电流函数的相对光输出(光通量)。很明显，光输出与二极管电流是密切相关的，因此，可以通

4、过改变正向电流进行调光。并且，在电流较小时，曲线几乎是一条直线，但是在电流增大时，其斜率变小了。这就是说，在电流较低的时候，若将二极管电流增大一倍，则光输出也会增加一倍;但是电流较高的时候，情况就不是这样了：电流上升100%仅能使光输出量增加80%。这一点很重要，因为LED是由开关电源驱动的，这会导致在LED中产生相当大的纹波电流。实际上，电源的成本在某种程度上是由所允许的电流大小决定的，纹波电流越大，电源成本就越低，但光输出会因此受到影响。图2电流超过1A以上，LED效率就会降低图3量化显示了叠加于DC输出电流之上的三角纹波电流所引

5、起的光输出的减少。在绝大多数情况下，该纹波电流的频率高于肉眼可以看到的80Hz。并且，肉眼对光线的响应是指数式的，不能察觉出小于20%的光线减弱。因此，即使LED中出现相当大的纹波电流，也不会察觉出光输出的减少。图3纹波电流对LED光输出的轻微影响纹波电流也通过提高功耗而影响LED性能，这可能导致结温升高，并对LED的使用寿命产生重大影响。图4量化显示了由于纹波电流造成的LED功耗的升高。与LED的散热时间常量相比，由于纹波频率较高，因此，高纹波电流(以及高峰值功耗)不会影响峰值结温，它是由平均功耗确定的。LED的高压降如一个电压源，

6、因此，电流波形对功耗没有影响。不过，压降有一个电阻分量，并且功耗由电阻乘以均方根(RMS)电流的平方确定。图4纹波电流增加了LED的功耗图4也阐明了即使在纹波电流较大的时候，对功耗也没有重大影响。例如，50%的纹波电流仅增加不足5%的功率损耗。当大大超过此水平时，需要减小电源的DC电流以保持结温不变，从而维持半导体的使用寿命。经验法则显示，结温每降低10%，半导体使用寿命就会延长两倍。并且，许多设计都倾向于更小的纹波电流，这是因为电感器的限制。绝大多数电感的设计处理能力小于20%的Ipk/Iout纹波电流比率。典型应用LED中的电流在

7、很多情况下都是由镇流电阻或线性稳压器控制的。不过，本文主要讲述的是开关稳压器。在驱动LED时常用的三种基本电路拓扑为：降压拓扑结构、升压拓扑结构以及降压/升压拓扑结构。采用何种拓扑结构取决于输入电压和输出电压的关系。在输出电压始终小于输入电压的情况下，应使用降压稳压器，图5显示了该拓扑结构。在该电路中，对电源开关的占空比(dutyfactor)进行了控制，以在输出滤波器电感L1上确立平均电压。当FET开关闭合时(TPS5430内部)，其将输入电压连接到电感器，并在L1中构建电流。D2为环流二极管(catchdiode)，可提供开关断开

8、时的电流路径。电感器可对流过LED的电流起到平滑的作用，该工作可通过用电阻监控(测量)LED电流，并将电压与控制芯片内部的参考电压进行比较，最终进行调节。如果电流太低，则占空比增加，平均电压也上升，从而也导致了电流的升高