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对驱动新型LED的恒定电流源的要求(二)



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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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