基于升降压转换器的LED照明驱动器设计

　　虽然在输出电压可能高于也可能低于输入电压时，峰值电流模式控制的非连续升降压转换器是LED驱动器的一个不错选择。但是，采用这种升降压转换器来设计驱动器时，LED电压的变化会改变LED电流，LED开路将导致输出端产生过高的电压，从而损坏转换器。本文将详细讨论这种用于LED的转换器设计，并给出多种克服其固有缺点的方法。

　　发光二极管（LED）的应用已有很多年，随着最新技术的进步，它们正逐渐成为照明市场中强有力的竞争者。新的高亮度LED具有很长的寿命（约10万小时）和很高的效率（约30流明／瓦）。过去三十多年来，LED的光输出亮度每l8～24个月便会翻一番，而且这种增长势头还会持续下去，这种趋势称为Haitz定律，相当于LED的摩尔定律。

　　从电气上来说，LED与二极管类似，它们也是单向导电（尽管它们的反向阻断能力并不太好，高的反向电压很容易损坏（LED），并具有与常规二极管类似的低动态阻抗V-I特性。另外，LED一般都有安全导通时的额定电流（高亮度LED的额定电流一般为350mA或700mA）。通过额定电流时，LED正向压降的差异可能比较大，通常350mA白光LED的压降在3～4V之间。

　　驱动LED需要受控的DC电流。为了使LED的使用寿命长些，LED电流中的纹波必须很低，因为高纹波电流会使LED产生较大的阻性功耗，降低 LED使用寿命。LED驱动电路需要更高效率，因为总体效率不仅取决于LED本身，也与驱动电路有关。而工作于电流控制模式的开关转换器是满足LED应用的高功率及高效率要求的理想驱动方案。

　　驱动多个LED也需要仔细考虑。图1是LED的串并联连接电路。其中图1（a）为LED的并联连接电路。图1（h）是LED的串联连接电路。由于各个LED的动态阻抗和正向压降不相同，因此，如果没有外部均流电路（如电流镜像），就不可能保证流过LED上的电流相同；此外，由于一个LED 出现故障将使LED串断开，从而致使所有LED电流在剩下的LED串之间分配，这将导致LED串上的电流增大，从而可能损坏LED。因此，出于上面两个原因，设计时一般不用如图1（a）那样的并联LED电路。

　　因此，更好的做法是将LED串联起来。但该方法的缺点是，如果一个LED 出现故障，则整个LED串将停止工作。让剩下的LED串继续工作的一个简单办法是将一个齐纳二极管（其额定电压大于LED的最高电压）与每个（或每组）LED并联，如图1（b）所示。这样，任何一个LED发生故障后，其电流都会流到相应的齐纳二极管上，LED串的其余部分仍可正常工作。

　　基本的单阶开关转换器可分为三类：降压转换器、升压转换器和升降压转换器。当LED串的电压低于输入电压时，降压转换器图2（a）是理想的选择；当输入电压总是低于串输出电压时，则使用升压转换器比较合适图2（b）；当输出电压可能高于也可能低于输入电压时（由输出或输入变化引起），则采用升降压转换器图2（c）比较合适。升压转换器的缺点是，输入电压的任何瞬变（可使输入电压升高并超过输出电压）都会导致LED上流过很大电流（由于负载的低动态阻抗），从而损坏LED。升降压转换器也可代替升压转换器，因为输入电压的瞬变不会影响LED电流。

　　升降压转换器的工作原理

　　对于低电压应用中的LED驱动器，升降压转换器是一种不错的选择。其原因有它们可用高于和低于输入电压的电压来驱动LED串（升压和降压）、效率很高（很容易到达85％以上）、非连续工作模式可抑制输入电压的变化（提供优良的线电压调节）、峰值电流控制模式允许转换器调节LED电流，而无需复杂的补偿（简化设计）、很容易实现线性和PWM LED亮度调节、开关晶体管失效不会损坏LED等等。图2给出了降压、升压和升降压转换器与LED串的连接电路。

　　但是，这种方法仍有缺点：一是峰值电流受控问题，因为采用非连续电流模式的升降压转换器是一种功率恒定的转换器。因此，LED串电压的任何变化都会引起LED电流的相应改变；另一个问题是LED开路状态会在电路中产生损坏转换器的高电压；此外，还需要额外的电路将恒定功率转换器转变为恒定电流转换器，并需要在无负载情况下保护转换器。

　　图3所示为具体的升降压转换器应用电路，该控制器内置了用于设定开关频率的振荡器。在开关周期之初，Q1导通。由于输入电压VIN加在电感上，电感电流（iL（t））开始从零（初始稳定状态）开始上升。当感应电流上升至预先设定的电流值 （ipk）时，Q1关闭。开关导通时间（ton）由下式确定：

　　ton=ipkL/VIN

　　此时，存储在电感内的总能量（J）为：

　　J=Li2pk/2

这样，尽管此时开关会关闭，但流经电感的电流并不会中断