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对驱动新型LED的恒定电流源的要求(三)



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。

 

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。

 

通过调光控制LED的亮度

 

脉宽调制(PWM)是用于调暗LED,以控制LED系统中的光输出的主要方法。LED中的光输出随着IF的变化(在制造商规定的范围内)而以一种线性方式改变,但在单色LED中,发射光的主频也是不同的。对于以磷为基质的白色LED,其相关色温(CCT)是不同的。线性调光能用于在颜色/CCT上的这种变化被判定为可接受的应用中。这些应用的实例包括闪光灯、阅读灯,以及只有很少量的LED的系统,在这种系统中,从一盏灯到另一盏灯之间的颜色、CCT或亮度上的差别不是很明显。对于诸如汽车刹车灯、LCD背光灯,以及直视RGB灯等应用而言,亮度和颜色要求对于这种方法来说太过严格。为了减少这些应用中的光输出,同时对颜色和CCT进行严格控制,一个已知的、受控制的电流必须流经LED阵列串,然后,用受控制的占空比进行斩波控制。

 

电流源输出端的PWM的另一种方法是斩波控制电源输入电压,也称之为“剧场调光”,这种方法普遍用于客车。一般情况下,这种情况在低频(50Hz~1000Hz)时发生。必须对这种方法和开关稳压器的使能管脚的PWM进行仔细分析,以防PWM频率和开关频率之间发生交互。输入电压的PWM或使能管脚可使开关稳压器发生振荡。基本的规则是保持开关频率至少高出PWM频率两个数量级将会消除这种交互。

 

驱动LED的须知事项

 

除了在驱动LED时可选择的各种功拓扑以外,还要考虑到一些其它的须知事项。LED系统设计者必须意识到对穿过LED的短路或系统中的开路LED故障采取必要的保护措施。配置为恒流源的开关稳压器在处理穿过LED阵列的短路上没有问题,但是,如果LED作为开路发生故障,则会将它们的输出电压驱动至系统限额。开路故障在HB LED中更加普遍,故障源于在过电流或热过载期间,捆绑电线有断裂的趋势。如果是降压稳压器,输出电压可以上升到和输入电压一样高,是占空比限额的几倍。由于许多基于降压稳压器的电流源采用很小的输出电容或不采用输出电容,因此,用户可以选择限定输出电路来处理最大输入电压,并且只需在开路条件下使输出电压上升即可。在这种情况下,电流由很小变为没有,因此,热应力出现的机会很小。

 

如果是升压转换器和降压-升压转换器,开路系统的输出电压是未定义的,而且可以超出稳压器IC、功率半导体,以及输出滤波器的额定电压。防止输出电压失控的一种简单的方法是在输出端到反馈输入端之间放置一个齐纳二极管,利用在许多开关稳压器上都可以找到的过电压比较器。

 

此外,LED系统设计者应注意驱动高亮度LED带来的散热管理问题。虽然在本文中没有讨论这一话题,但是作者希望设计人员意识到设计和HB LED应用中的散热问题。

 

结语

 

随着照明世界逐渐向LED过渡,要驱动新型高亮度LED必须有足够的电子器件来提供电能。我们已经介绍了在一个系统中配置LED的一些基本方法以及可以用于驱动LED的可能的功率拓扑。对于LED配置以及功率拓扑的特定解决方案取决于应用限制、系统技术规范和设计者的偏好。本文还提醒设计者 :在设计LED驱动系统的过程中应该意识到的潜在危险。我们只有采用正确的设计指导方能实现—LED点亮全世界—这一承诺。

 

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