高效地驱动LED

图7 高度集成的升压LED驱动器逐步升高输入电压

图8 降压-升压电流可限制和处理广泛的输入范围

当输出电压总是比输入电压大时，最好是采用如图7所示的升压转换电路。该电路的U1中也有一个带有控制电子器件的高度集成电源开关。当开关闭合时，电流流经电感到接地。当开关断开时，U1引脚1上的电压会不断升高，直到v1导通，然后电感放电，电流进入输出电容器(C3)和LED串。在大多数应用中，C3通常用于平滑LED电流。如果没有C3，则LED 电流将是断断续续的。也就是说，它会在零和电感电流之间切换，这会导致LED热量增加（从而缩短使用寿命），并且亮度减少。在前面的例子中，LED的电流是通过一个电阻检测的，并且占空比会发生相应地变化。请注意本拓扑存在一个严重的问题，即它没有短路保护电路。若输出短路，则会有较大的电流通过电感器和二极管，从而导致电路故障，或者输入电压崩溃。

很多时候输入电压范围变化很大，其可以高于或低于输出电压，此时降压拓扑和升压拓扑结构就不起作用了。并且，可能在升压应用中需要短路保护。在这些情况下，就需要使用降压-升压拓扑结构（见图8）。当电源开关闭合、电感有电流通过时该电路就相当于升压电路；当电源开关断开时，电感开始放电，电流进入输出电容和LED。不过，输出电压不是正的，而是负的。此外，请注意本拓扑中不存在像升压转换转中出现的短路问题，因为电源开关Q1开路能提供短路保护功能。该电路的另一个值得注意的特性是，虽然其是一个负的输出，但并不需要对传感电路的电平进行转换。在本设计中，控制IC接地到负的输出，并且可直接测量电流检测电阻R100上的电压。尽管本例中仅显示了一个LED，但是通过串联可以连接许多 LED。电压的上限是控制IC的最大额定电压，输入电压加上输出电压的和不能超过该限值。

图9 电位输出滤波器结构

关闭环控制电路

关闭LED电源上的电流环路比关闭传统电源上的电压环路要简单得多。环路的复杂性取决于输出滤波器结构。图9显示了三种可能的结构：只有一个电感的简单滤波器(A)；典型的电源滤波器(B)；以及改良的滤波器(C)。

为每一个功率级都构建一个简单的P-Spice模型，以阐明每一功率级控制特性的区别。降压功率 FET 和二极管的开关动作建模为压控电压源，增益为10，而LED则建模为与6V电压源串联的3Ω的电阻。在LED和接地之间添加了一个1Ω的电阻，用于对电流进行检测。在电路A中，该响应就是稳定的一阶系统的响应。直流增益由压控电压源（LED电阻和电流检测电阻构成的分压器）确定，系统的极性由输出电感和电路电阻决定。电路B由于增加了输出电容，因此有二阶响应。若LED的纹波电流过大并达到难以接受的程度，则可能需要该输出电容，这是由于EMI或热量等问题的出现造成的。直流增益与第一个电路一样。不过，在输出电感和电容确定的频率处有一对复极点。

图10 Q1用于对LED电流进行脉宽调制

图11 PWM技术可实现亚微秒的LED开关速度

滤波器的总相移为180°。若没有很好地设计补偿电路，可能会导致系统不稳定。与电路A相比，该补偿电路增加了两个组件以及一个输出电容。在电路C中，我们对输出电容进行了重定位，以便更容易对电路进行补偿。LED的纹波电压与电路B类似，所不同的是电感的纹波电流流过电流检测电阻 R105，因此在计算功耗时也要考虑到这一部分功耗。该电路有一个零点、一对极点，并且其补偿设计与电路A差不多简单，直流增益也与前两个电路相同。在高频率时，其响应与电路A一样。

调光

通常，我们需要对LED进行调光。例如，需要调低显示器或建筑照明的亮度。实现上述目标有两种方法：降低LED的电流，或快速地开关 LED。效率最低的方法是降低电流，因为光输出并不完全与电流呈线性，并且LED的色谱往往是在电流小于额定值时才会发生变化。请不要忘记，人们对亮度的感知是指数式的，因此调光可能需要电流进行很大变化，这对电路设计会造成很大影响。考虑到电路的容差，满负载电流值工作时，3%的调节误差可以造成10% 负载时的30%或更高的误差。通过电流波形的脉宽调制(PWM)进行调光更为准确，尽管这种方法存在响应速度问题。在照明和显示器应用上，PWM需要高于 100Hz的频率，以使肉眼感觉不到闪烁。10%的脉冲宽度在ms范围内，并要求电源的带宽大于10kHz，此项工作可以通过图9（A与C）中简单的环路轻松地完成。图10阐明了带PWM调光功能的降压功率级电路。在本例中，LED轻松地闭合/断开电路。通过这种方式，控制环路总是处于激活状态，并实现了极快的瞬态响应（见图11）。