LED的高效驱动

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 (mechanical assembly)，其可进行高频率的切换。

LED的I-V 特性

图 1 显示了典型 InGaAlP LED(黄色和琥珀红)的正向电压特性。也可以把 LED 作为电压源与电阻串联建模，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。InGaAlP LED的系数在-3.0mV/K~-5.2mV/K 之间，而 InGaN LED(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。

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，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 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 (duty factor) 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 (catch diode)，可提供开关断开时的电流路径。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。该电路具有极佳的效率，因为电源开关、环流二极管以及电流感测电阻上的压降非常低。