驱动大功率LED之道

自上世纪60年代初问世以来，发光二极管(LED)已被用于许多半导体器件。从第一个LED问世到现在，LED技术已经取得了很大的技术进步。氮化镓(InGaN)和铟镓磷化铝(InGaAlP)的使用创造了更多各种各样的颜色(特别是采用InGaN工艺，通过紫外线发出的蓝光)，通过LED技术多彩的LED产品得以问世。此外，由于发光效率、光通量及功耗的改进，这些新的半导体材料能够产生更亮的光。过去大多数LED都是由5mA"20mA的电流驱动的，而现在一些制造商生产的HB LED是由1A甚至更大的连续电流驱动的。  

过去从设计角度看，在操作小电流LED时，采用电阻器或线性稳压器提供驱动LED所需的电流是可以接受的。在这种小电流解决方案中，功耗是最小的，而且这种技术对于驱动许多应用中的LED来说足够了。随着更新一代HB LED所需的驱动电流(IF)的增加，要更多地考虑到LED本身和电流驱动电路的散热管理和功耗问题。除了上述原因外，LED也需要更大稳流来保持颜色、亮度和使用时间，因此现在逐渐采用开关稳压器和控制器来提供驱动HB LED所需的恒定电流。本文将介绍LED可以采用的不同拓扑和配置，以及用开关稳压器和控制器驱动LED的方法。
  
LED配置/拓扑  

在驱动LED时有四种基本配置。选择最理想的拓扑和配置通常取决于应用以及技术规范和系统要求。设计人员需要考虑输入电压、要驱动的LED的数量、尺寸/布局限制、效率、散热管理以及光学等问题。第一种，也是最基本的一种拓扑是单个LED。采用这种设计的应用实例有汽车内顶灯(地图灯，阅读灯)。  

第二种，可以用串联方式驱动LED。因为经过所有LED的驱动电流都是相同的(假设LED被适当的分档)，这种配置可以保证颜色和亮度达到最接近的匹配度。在这种情况下，必须注意整个串联串中的输入电压以及它和正向电压降(VF)之间的关系。这将决定将被用于驱动LED的功率拓扑，下文将会讨论这个问题。这方面的应用实例包括闪光灯和汽车尾灯/刹车灯。  

驱动LED的第三种配置是以并联方式驱动。在这种配置中，可以以大于单个LED的最大正向电压的输入电压驱动许多个LED。再次声明，LED的分档是非常重要的，因为在并联配置中，由于LED之间的VF不同，色彩和/或亮度之间不匹配的可能性非常大。如图1所示，LED是并联连接的器件，电流和电压(I-V)之间的曲线急剧上升，因此，即使是电压发生很小的变化，用电压源驱动LED也会使正向电流的摆幅很大。  

  
图1 驱动LED过程中的正向电压 v 电流  

最后一种驱动LED的配置是将并联LED串以串联方式连接。这种配置对于驱动多个LED来说比较适合，但是只有一个LED串有恒定电流。二极管的电压调节次级串的电流，串联镇流电阻器通常用于进一步减小由VF不匹配造成的影响。此外，LED的累积VF不匹配度很可能会使从一个串到另一个串的亮度也不匹配。这种技术用于驱动一些显示器的小电流白色LED背光灯。这种配置的不同之处是串并联连接，在这种配置中，整个阵列(将整个阵列视为二端元件)的电流都是稳定的，并且假设各个支路会分享相等的电流。这种配置在汽车刹车灯/尾灯/转向灯中已经获得应用。LED封装中会包含若干个晶粒，但是，当从一个集中源产生大量光通量时，只有两个连接被证明是有效的。  

功率拓扑  

不管类型、尺寸或功率如何，由恒流驱动的所有LED都会达到最佳工作状态。以流明为单位测量的光输出与电流成正比，因此，LED制造商说明的是在特定的正向电流IF 下器件的特征(例如，流明、波束图和颜色)，而不是在特定的正向电压VF 下的特征。如图2所示。  

  
图2 亮度(光强度)和颜色(波长)v LED的正向电流  

当恒流源中要求高效和低功耗时，开关稳压器或控制器是驱动HB LED的最佳选择。下文讨论驱动LED的不同功率拓扑。开关稳压器具有高效、能够降低驱动LED的半导体的功耗以及减少向LED传热等优势。  

降压稳压器  

当整个串联或串并联串中的LED系统的输入电压大于最大的正向电压降时，可选择的最佳功率拓扑是标准降压稳压器。降压转换器(如图3a所示)由于带有输出感应器，所以是驱动恒流的理想选择。电感电流波纹DiL在降压转换器的设计中是一个已知的、受控制的量。在三种标准DC-DC转换器拓扑(降压、升压和降压-升压)中，只有降压转换器有与LED驱动中的平均负荷电流或IF 相等的平均电感电流。不管采用哪种控制方法，事实上，输出电流不会在开关循环的任何部分中发生瞬态变化，这使得恒定电压源向恒定电流源的转换变得更加容易。再说详细一些，许多基于降压转换器的恒流电路都可以在没有输出电容的情况下运行。  

  
图3a：带有输出电容的降压稳压器
图3b: 不带输出电容的降压稳压器  

在带有稳压器的电路中，采用开关稳压器设计电流源有两大标准：输出电流(DiL)的平均精确度以及DC组件顶部的波纹或AC电流。平均输出电流的公差取决于电流传感电路(包括电流传感电阻)的精确度和IC内部参考电压的精确度。LED波纹电流取决于输入电压、输出电压、开关频率，以及感应系数。  

在以非连续导通模式(DCM)运行的电路中，可以对输出电流进行控制。当电路以连续导通模式(CCM)—通过感应器时，CCM始终保持正电流—运行时，降压转换器可以被很容易地辨别和感应。在。由于感应器与LED阵列分享相同的DC电流，而且保持通过所有LED的电流为恒流是首要目标，因此，CCM操作是运行驱动恒流的降压转换器的首选方式。