高效地驱动LED

随着LED生产成本的降低，其应用范围越来越广，其中包括手持终端设备、车载以及建筑照明。LED 的高可靠性、极佳的效率以及瞬态响应能力使得它们成为颇具吸引力的光源。尽管白炽灯泡的成本非常低，但是多次更换白炽灯泡也将是一笔很大的开销，更换路灯就是个很好的例子。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，但由于上述一些原因，在路灯中将用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，但是通常只需要绿色、红色及黄色光线，如交通信号灯。若要使用白炽灯泡，则需使用一个滤波器，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，汽车行业在刹车灯设计中采用了LED。另外，LED将作为DLP视频应用中的光源，从而以快速开关的LED替代了机械组合。

图1 LED作为电阻与电压源串联建模

LED I-V特性

图1显示了典型InGaAlP LED的正向电压特征。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密切关联性。电压源拥有一个负的温度系数，当结温上升时，电压源的正向电压会降低。InGaAlP LED（黄色和琥珀红）的系数在-3.0～-5.2mV/K之间，而InGaN LED（蓝色、绿色及白色）的系数则在-3.6～-5.2mV/K之间。这就是为什么不能直接对LED进行并联的一个原因。产生热量最多的器件往往需要更大的电流，更大的电流会产生更多的热量，进而引起散热失控。

图2 电流超过1A以上，LED效率就会降低

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，在电流较低时，若将二极管电流增大一倍，则光输出也会增加一倍；但是电流较高时，情况就截然不同了：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 纹波电流对LED光输出的轻微影响

图3量化显示了叠加于直流输出电流之上的三角纹波电流所引起的光输出减少。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。

图4 高结温会缩短LED的使用寿命

此外，纹波电流还通过提高功耗而影响LED性能，这可能导致结温升高，而且对LED的使用寿命有重大影响。如图4所示，LED的相对光输出是时间和结温的函数。如果确立了LED的光输出为额定的80%，则LED的使用寿命将从74℃时的10 000小时延长到63℃时的25 000小时。

图5 纹波电流增加了LED的功耗

图5量化显示了由于纹波电流造成的 LED 功耗的增加。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。LED的大部分压降就像一个电压源，因此电流波形对功耗没有影响。然而，压降有一个电阻分量，并且功耗由该电阻乘以均方根(RMS)电流的平方决定。

图5还阐明即使是在纹波电流较大时，对功耗也没有重大影响。例如，50%的纹波电流仅增加不到5%的功率损耗。当大大超过此水平时，需要减小电源的直流电流以保持结温不变，从而维持半导体的使用寿命。根据经验，结温每降低10℃，半导体的使用寿命就会延长2倍。并且，由于电感的限制，许多的设计都倾向于更小的纹波电流。绝大多数电感的设计旨在处理小于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进行控制的。但是，本文中主要讲述的是开关稳压器。在驱动 LED 时常用的三种基本的电路拓扑为降压拓扑、升压拓扑及降压-升压拓扑。采用何种拓扑结构取决于输入电压和输出电压的关系。

图6 降压 LED 驱动器逐步降低输入电压

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6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，并在L1中形成电流。环流二极管v2提供了开关断开时的电流路径。电感可对流经LED的电流起到平滑的作用，通过用电阻监控（测量）LED电流，并将该电压与控制IC内部的参考电压进行比较，从而最终实现对流经LED的电流调节。如果电流太低，则占空比增加，平均电压也上升，从而导致了电流的升高。由于电源开关、环流二极管以及电流检测电阻上的压降非常低，该电路可提供极佳的效率。