如何运用SEPIC转换器同时驱动多个LED灯串

拓扑技术，并配合设计示例来对该技术进行详细阐述。

1 基本ＬＥＤ驱动器

ＬＥＤ驱动器的主要功能是控制ＬＥＤ电流，使其保持不变，即ＩＬＥＤ.ＩＬＥＤ值与ＬＥＤ颜色相关，也取决于具体的ＬＥＤ.如果需要调光，通常采用脉宽调制（ＰＷＭ）控制，即驱动器应该将ＬＥＤ电流控制为ＩＬＥＤ或零，调光频率一般在２００Ｈｚ~１ｋＨｚ以上。

图１表示一个ＬＥＤ驱动器以及它所驱动的ｋ个ＬＥＤ灯串。ＬＥＤ驱动器由功率转换器和ｋ个线性电流调节器构成。功率转换器的输入电压和输出电压以ＶＩＮ和ＶＯＵＴ表示。每个ＬＥＤ灯串包含ｎ个ＬＥＤ.每个ＬＥＤ灯串的电压降是ＶＬＥＤ，其中ｉ从１到ｋ.ＶＬＥＤｉ是各ＬＥＤ的正向电压（ＶＦｉｊ）之和，其中ｊ从１到ｎ.因此，ＶＬＥＤｉ＝ＶＦｉ１＋ＶＦｉ２＋…＋ＶＦｉｎ每个ＬＥＤ灯串在功率转换器输出端和线性电流调节器之间相连，后者用于控制ＬＥＤ电流。各线性电流调节器中电压降用ＶＣＳｉ来表示。

2 功率转换器拓扑技术的选择

输入电压和输出电压用于控制功率转换器的拓扑结构。要求输出电压大于ＬＥＤ灯串的最大电压降与线性电流调节器的电压降之和，即

ＶＯＵＴ＞ｍａｘ｛ＶＬＥＤｉ＋ＶＣＳｉ｝，其中１＜ｉ＜ｋ

首先，ＶＬＥＤｉ是关于ＬＥＤ正向电压ＶＦｉｊ的函数。各ＬＥＤ的正向电压都有容差，它还与温度相关。例如，在ＬＥＤ的温度上升时，ＶＦｉｊ通常会降低。在ＬＥＤ开启时，温度的上升明显。对于ＩＬＥＤ为０．３５Ａ的ＬＥＤ，ＶＦｉｊ的典型值和容差是３．２Ｖ和±１０％.

其次，ＶＣＳｉ与反馈信号的功率相关。功率必须足够大以保持反馈信号良好的信噪比。线性电流调节器还需要能实现正确偏压的最低电压。但是，为了提高效率，应该最大限度降低ＶＣｓｉ，因为ｉｔｈ线性电流调节器的功率损耗是ＶＣＳｉ×ＩＬＥＤ，这是相当大的功率值。由于ＩＬＥＤ是固定的，功率损耗主要由ＶＣＳｉ确定，而它与ＶＯＵＴ相关，即：
ＶＣＳｉ＝ＶＯＵＴ-ＶＬＥＤｉ驱动３个ＬＥＤ灯串，每个灯串含４个ＬＥＤ为例。标称的ＶＬＥＤｉ是１２．８Ｖ，各灯串的ＩＬＥＤ是０．３５Ａ.ＶＯＵＴ的典型设计是１５Ｖ，其中已考虑ＶＬＥＤｉ的容差和ＶＣＳｉ需要的最小电压降。

如果使用标称电压为１２Ｖ的一节普通充电电池，电池电压可以在１０Ｖ（近空电量）到１４Ｖ（完全充电）之间变化，这近似于ＶＯＵＴ.假设使用升压转换器获得１５Ｖ的ＶＯＵＴ，如果ＶＩＮ接近上限，则需要极小的占空比（如果ＶＩＮ为１４Ｖ，则占空比为６．７％）。在实际情况中，可能无法实现小占空比，因为大多数控制器具有占空比下限或开启时间下限。这样，必须将ＶＯＵＴ设高，因此，线性电流调节器的功率损耗也增加，从而降低了整体效率。另一种可能的方法是降低开关频率以克服开启时间的下限。但是，低开关频率会增加电感器电流纹波。因此，需要更大、更贵的电感器。

以上应用的最佳功率转换器拓扑技术就是　ＳＥＰＩＣ.这是由于ＳＥＰＩＣ转换器的输入电压可以高于或低于输出电压。ＳＥＰＩＣ转换器的其它优点还包括使用低端开关（这使设计者很容易采用开关驱动器）以及非反相输出电压。

3 使用ＳＥＰＩＣ的ＬＥＤ驱动器

图２为ＬＥＤ驱动器示意图，图中包含采用ＳＥＰＩＣ拓扑技术的功率转换器、线性电流调节器和控制器集成电路（ＬＭ３４３１）。ＳＥＰＩＣ转换器的主要元件包含两个电感器（Ｌ１，Ｌ２）、两个电容器（ＣＳ，Ｃ８）、Ｑ１和二极管Ｄ１.Ｑ１开启时，Ｌ１和Ｌ２分别充电ＶＩＮ和ＶＣＳ（ＣＳ上电压），ＣＳ和Ｃ８则放电ＩＬ２（Ｌ２的电感器电流）和输出电流（总ＬＥＤ电流）。Ｑ１关闭时，Ｌ１和Ｌ２放电，ＣＳ和Ｃ８充电。下面是稳态下的一些基本公式。

输入电流等于ＩＬ１，电感器电流为Ｌ１.由于有３个ＬＥＤ灯串，输出电流为３ＩＬＥＤ.因此，ＩＬ１和ＩＬ２的值计算公式如下：

IL1=■
IL2=3ILED
假设Ｄ是占空比，ＴＳＷ是开关时间，ｔｏｎ是Ｑ１的开启时间，ＩＬ１，ｒｉｐｐｌｅ和ＩＬ２，ｒｉｐｐｌｅ是Ｌ１和Ｌ２的电感器纹波电流，
D=■
ton=DTSW
ＩＬ１，ｒｉｐｐｌｅ=■
ＩＬ2，ｒｉｐｐｌｅ=■
在稳态下，
VIN=VCS
Ｌ２的电感器电流纹波公式为
ＩＬ2，ｒｉｐｐｌｅ=■
要保持连续导电模式（ＣＣＭ）的工作，Ｌ１和Ｌ２应足够大，确保电感器电流大于电感器电流纹波的半值，即使在最高ＶＩＮ下也是如此。
在本例中，开关频率是７００ｋＨｚ.因此，开关时间为１．４３s。由于在１４Ｖ最高ＶＩＮ时，ＶＯＵＴ和ＩＬＥＤ是１５Ｖ和０．３５Ａ，
Ｄ＝０．５２
ｔｏｎ＝７３９ｎｓ
ＩＬ１＝１．１２５Ａ
ＩＬ２＝１．０５Ａ
为了保持连续导电模式（ＣＣＭ）的工作，最大ＩＬ１，ｒｉｐｐｌｅ和ＩＬ２，ｒｉｐｐｌｅ应该是２．２５Ａ（ＩＬ１×２）和２．１Ａ（ＩＬ２×２）。Ｌ１和Ｌ２的最小值是４．６Ｈ和４．９Ｈ.由于电感器的容差最高可达到３０％，Ｌ１和Ｌ２选择为７Ｈ（４．９Ｈ/０．７）。
假设Ｑ１和Ｄ１的峰值电流是ＩＱ１，ｐｅａｋ和ＩＤ１，ｐｅａｋ，
ＩＱ１，ｐｅａｋ=IL1+IL2+■
ＩD１，ｐｅａｋ=IL1+IL2+■
元件Ｑ１和Ｄ１应该能够处理峰值电流。峰值电流的最大值发生在最低ＶＩＮ时。在本例中，由于Ｌ１和Ｌ２都是７Ｈ，ＶＩＮ是１０Ｖ，
Ｄ＝０．６０
ｔｏｎ＝８５７ｎｓ
ＩＬ１＝１．５７５Ａ
ＩＬ２＝１．０５Ａ
ＩＬ１，ｒｉｐｐｌｅ＝１．２２Ａ
ＩＬ２，ｒｉｐｐｌｅ＝１．２２Ａ
ＩＱ１，ｐｅａｋ＝３．８５Ａ
ＩＤ１，ｐｅａｋ＝３．８５Ａ

线性电流调节器由电流感应电阻器、功率晶体管和放大器（内嵌在控制器集成电路中）组成。放大器输出控制了功率晶体管（２Ｎ２２２２）的基极，将ＬＥＤ灯串的电流控制为０．３５Ａ，这通过１个电阻器来感应。此感应信号反馈回放大器的输入端，鉴于０．３５Ｖ的参考电压作比较，此电压通过由Ｒ７和Ｒ８组成的电阻器分频电路与２．５Ｖ内部参考电压分开。

此外，在工作期间，转换器的ＶＯＵＴ可以通过ＬＭ３４３１中内嵌的动态裕量控制（ＤＨＣ）方法自行调节。如果ＬＥＤ灯串的电压降低（这通常由于工作中的温度上升引起的），动态裕量控制可以缓慢减小ＶＯＵＴ，以使线性电流调节器的功率损耗降到最低。这可以进一步提高系统的整体效率。

4 硬件结果

图３为稳态工作中系统的波形。图４~６显示在１０％、５０％和９０％调光占空比、３８０Ｈｚ调光频率条件下调光信号的响应。图７还显示启动响应。下表中列出系统的效率。数据在满载工作２０min后获取，这时ＬＥＤ的温度趋于稳定。可以看出，各ＬＥＤ灯串的电压降约为１２．５Ｖ.这表示由于温度升高，各ＬＥＤ的正向电压小于标称值３．２Ｖ.在这种情况下，ＤＨＣ使ＶＯＵＴ降低到小于１４Ｖ，因此，线性电流调节器中的功率损耗也被降低。整个输入电压范围的总体效率接近８０％.