高亮度LED驱动器的设计优化

图2 IRS2540LED转换器
　　
LED能够从DC总线或直接从整流后的交流线上获得电能，因此整个系统显得非常简单灵活。无论Buck稳压器开关处于ON还是OFF状态，悬浮的高侧驱动器都可以确保IRS2540探测LED的负载电流，从而提供优势明显的平均电流控制功能。与此相反，其它系统只能在ON期间探测电流，只能采用峰值电流控制。由于平均电流控制器不仅仅在ON期间，同时也可以在OFF期间进行调节，从而能够在更宽的线路和负载范围上工作而不会超出设计极限，因此自身具有稳定调节的特点。

图3 IRS2540平均电流控制
　　
优点：简单的设计理念就能实现非常精确的电流控制，且自身具有稳定性，不需要复杂的电路分析。
　　
由于LED负载需要最小纹波的直流电流，因此无论是峰值电流模式控制还是平均电流模式控制，都采用在连续导通模式下工作的恒流驱动器。
　　
在IRS2540例子中，必须注意限制硬切换过程中的应力，即包含在负载电流超过或低于基准电平的时间以及Buck开关状态改变时间之间的定义延迟。这一延迟与负载电流（IFB）的dI/dT相结合部分决定了系统运行时的频率与占空比，同时频率与占空比还进一步取决定于Buck电感、输出电容值以及转换器的输入、输出电压值。
　　
由于输出电流恒定，且开路保护容易实现，因此这种结构本身就提供过载和短路保护。
　　
众所周知，开关电源设计如果采用峰值电流控制并在连续模式下运行，由于次谐波振荡从而存在运行不稳定的风险。
　　
采用斜坡补偿（slopecompensation）可以解决这一问题，但目前市场上的某些LED控制器并不支持振荡器电容连接，因此很难实施。另外，斜坡补偿也会引起被检测电流与实际LED负载电流之间的误差。
　　
也有人试图采用固定OFF时间（而不是固定频率）的工作方式来解决这一问题。这样虽然可以缓解次谐波振荡问题，且占空比也大于50%，但是，为了增加占空比必须降低频率，从而导致频率在占空比范围内的大幅波动。
　　
对一个50%占空比、100kHz频率、固定OFF时间的系统，90%占空比时频率必须为20kHz，而10%占空比时频率为180kHz。
　　
由于ON和OFF时间都可以独立变化，占空比的变化从而对频率几乎没有影响，因此IRS2540不存在上述限制。

频率大范围变动的缺点是必须相应增大电感值。
　　
有一种观点认为，从滤波器简单性考虑，固定频率系统较基于IRS2540的可变频率系统具有电磁兼容性（EMC）优势。但现在人们意识到这种观点建立在固定频率电路的滤波器设计比可变频率系统简单这一误解基础上，因此固定频率方案慢慢转向可变频率方案。不过，如果系统需要频率变动达到一定的数量级，系统对滤波器的要求会会相应更高。
　　
图4中的开发板演示了IRS2540工作原理：以1.2A电流驱动一串17V正向电压LED，直接采用经整流的110V交流电源，在175kHz频率下效率高达85%以上。

图4 IRS2540LED转换器开发板
　　
很多应用领域都需要调光功能。此外，主色调不同的LED相互组合可以通过调节各种颜色的强度产生所有光谱色，从而为显示、标识和气氛照明产生各种不同效果。基于IRS2540的Buck稳压器系统能够调节脉宽调制（PWM）控制信号逻辑电平的全范围内作调节。PWM信号频率相对较低，可用于切换LED驱动电流的开、关，并通过占空比在不改变光输出颜色的情况下改变光输出强度。
　　
PWM调光控制信号如图5所示。高频Buck转换振荡器在"突发模式"下运行，以调节LED的平均电流。信号频率不会过低而产生闪烁。同时简化了与基于微控制器的调光控制电路的连接。

图5调光工作
　　
有了高亮度LED，建筑师、设计者、规范制定者和制造商能够为剧院、工作室、夜总会、餐馆和其它需要高亮照明的地点创造出前所未有的照明效果及灯光亮度。例如，通过使用DMX512协议等数字控制，各个角度都可以显现出生动变化的照明效果。无论灯具是嵌在台面、天花板还是墙面，灯具尺寸都不再决定照明角度。伴随HBLED技术的不断改进，照明世界正在经历天翻地覆的变化。
　　
HBLED与白炽灯和荧光灯相比具有使用寿命长，维护成本低，以及不容易受到潮气影响等优势，因而非常适合景观照明与室外照明。与传统灯泡不同，LED内部没有灯丝等易碎元件，无需轻拿轻放。基于IRS2540的转换器是上述应用领域的理想选择。