驱动大功率LED之道

升压稳压器  

当LED系统的输入电压小于应用中的整个串联串的最小正向电压降时，则需要一个升压稳压器。在低功率应用中，普遍采用的是开关电容升压转换器，但是，当电流约为100mA或以上时，它们的效率会迅速下降。感应升压稳压器也需要一部分输入电压并提供更高的输出电压，用感应器作为能量存储元件在高增压比(在这里，VO 远远大于VIN)和1至10安培的输出电流范围内可以提供高效率。在所有开关电源拓扑中，只有降压稳压器更有效。这是因为只有降压-升压稳压器在它们的开关循环的一部分中将输入电压与输出端连接起来。  

图4给出用于驱动一个LED阵列的典型升压稳压器的电路图。如图3a和3b所示的降压电路，以前允许在输出电流中动态移动的同时调节输出电压的系统，现在已经转换为允许在输出电压中动态移动的同时保持输出电流的系统。  

  
图4 采用美国国家半导体的LM5020的典型升压LED驱动  

升压转换器的一个缺点是，当稳压器被禁用时，不能在输出端提供真正的关断。在输出端一直能看到最小电压(VIN-VD)，除非该电路用控制开关替代输出二极管。采用升压转换器的系统设计人员必须小心控制输入电压的瞬变，这偶尔会正向偏置LED阵列。允许不受控制的电流流过LED，会导致LED过热，这对于任何类型的LED来说都是主要故障。  

另一种区分升压转换器和降压转换器差别的方法是升压稳压器需要一个输出电容。当开关导通时，电感未与LED串连接，输出电容会提供电流，以保持IF的正确平均输出水平和理想的波纹电流(DIF)量。幸运的是，电容量一般都非常低(典型值为1mF"10mF)，而不是典型的升压稳压器中的100微法拉。  

当开关导通时，升压转换器将能量直接引入它们的存储元件(电感)中。能量由输出电容提供给负荷电容器，然后，负荷电容器和输出电容器在开关关闭时进行充电。开关占空比D与从输入端到输出端传输的能量之间的间接关系致使出现一种名为右半平面零点(RHPZ)的现象。这表明在校正输入电流(针对稳压器)或输出电压(针对稳流器)上发生的变化之前，系统暂时向相反方向移动的趋势。在所有拓扑(除降压稳压器以外)中都可以发现RHP零点，它们使得升压稳压器的控制环路的设计更加困难。PWM调光部分会解释为什么需要可以快速地从它们的“关闭”状态转向目标输出电流的转换器。RHP零点，结合阻止VO发生变化的输出电容使得升压转换器在响应PWM调光的速度上要比降压转换器慢。  

降压-升压转换器  

当LED系统(即整个串联串的总正向电压降)的输出电压既可能大于，也可能小于应用中的输入电压时，就必须采用降压-升压稳压器。现有的各种拓扑都可以升高和降低输入电压。最普遍的是回扫转换器、SEPIC(单端初级电感转换器)转换器和Cuk稳压器。VO 可以比VIN 高或低，在极性上可与VIN相同或相反。每种拓扑都有独特的优势，但是，所有拓扑的效率都比降压-升压稳压器低，因为它们都采用电感或电容作为中间能量存储元件。  

单电感降压-升压稳压器采用浮动开关，如降压稳压器，许多降压稳压器和控制器都可以用于设计单感应式降压-升压稳压器。在各种升/降压拓扑中，这种拓扑采用的零部件数量最少。单电感降压-升压转换器的主要缺点是输出电压的极性是反向的。对于许多稳流器来说，只要电流感测电路正确地设计为控制器或稳压器IC，这就不是问题。采用降压稳压器或控制器时的另一种技术是将整个电路设计为负输出量(图5)。这种技术解决了电流感测的参照问题，但没有解决PWM调光信号的参照问题。  

  
图5 用作降压-升压稳压器的降压IC  

用耦合感应器(有时称为回扫变压器)替换降压-升压稳压器的感应器会产生回扫拓扑。耦合感应器可使初级驱动转换至低侧拓扑，这种拓扑相对来说更简单，也更便宜。回扫拓扑一般用于需要功率从150W转换至5W以下，VIN 上升8倍的时候，或当需要扩大开关的最大电压或电流的时候。由于开关接地，升压稳压器IC通常可以用作回扫稳压器。  

SEPIC(单端初级电感转换器)拓扑还可以用作降压-升压稳压器，提供低于或高于输入电压、与输入电压拥有相同极性的输出电压。例如，SEPIC拓扑可以提供在10"15V之间变化的12V输入电压。如果没有SEPIC，这一实例可以采用两个稳压器来实现，即在升压稳压器之后用一个降压稳压器或单个回扫稳压器。低侧稳压器和控制器可以用在SEPIC拓扑中，当需要真正关断时，SEPIC对于替换升压电路很有用。  
Cuk稳压器是一种在电源教科书中非常普遍，但是还没有被广泛使用的拓扑。人们对这种拓扑的兴趣不断增加，因为它是唯一一种带有感应输出的升压降压拓扑。这使得Cuk转换器可以在没有输出电容的情况下驱动LED，就如同降压转换器一样。像其它升压/降压转换器一样，Cuk存在右半平面(RHP)零点并且更难控制。Cuk转换器还可以逆变它们的输出端极性，这需要为它们的电流感测和PWM调光电路进行电平移动和/或逆变。  

表1列出了普遍使用的升压/降压拓扑，以及它们的主要优点和缺点。