LED电源拓扑如何提升LED照明效能?

中心议题：
    *  看LED电源拓扑如何提升LED照明效能
解决方案：
    *  稳定电流驱动LED维持固定亮度
    *  利用LED调光技术，藉PWM降低亮度较佳

随着发光二极管(LED)生产成本下降，使用也越来越普遍，应用范围由手持装置到汽车、建筑照明等领域。LED的可靠度高(使用寿命超过五万小时)，效率 佳(每瓦超过120流明)，并具有近乎实时反应的特性，成为极具吸引力的光源。LED可在5奈秒的时间内产生光，而白热灯泡的反应时间则是200毫秒，因 此汽车工业已将LED运用于煞车灯上。本文将针对LED特性以及驱动LED的折冲情形进行介绍，深入探讨适合LED驱动及调光的各种切换式电源拓扑，并详 细说明相关优点。

稳定电流驱动LED维持固定亮度

LED驱动仍面临许多挑战，要维持固定的亮度，需要以稳定电流驱动LED，且不受到输入电压的影响，相较于白热灯泡单纯接上电池作为电源的挑战更大。

LED具有顺向V-I特性，与二极管情形类似。白光LED的开启阈值约为3.5伏特，在此阈值之下，通过LED的电流量非常少。超过此阈值之后，电流会以 指数方式增强，造成顺向电压递增，LED因而成为具有串联电阻的电压来源模型。不过须要注意，此模型仅在直流电流单一操作的情况下有效，如果LED中的直 流电流改变，则模型中的电阻也应该改变，以显现新的操作电流。在大量顺向电流的情况下，LED中所消耗的电力会提升装置温度，改变顺向压降与动态阻抗，决 定LED阻抗时，务必考虑环境的热度。

如果LED是由降压稳压器驱动，除了直流电流之外，LED常会传导电感的交流链波电流，根据所选择的输出滤波器安排情形而定。这会增加LED中电流的 RMS强度，也会增加其功率的消耗，并使结点温度升高，对LED的寿命有重大影响。如果在灯光输出上设立70%的限制作为LED的使用年限，便可增加 LED的寿命，由74℃的15,000小时，延长到63℃的40,000小时。LED中功率流失的判定方法，是将LED电阻乘上RMS电流的平方，加上由 平均电流乘上顺向压降的数值。由于结点温度是由平均功率所决定，即使出现大量的链波电流，对功率消耗的影响也很小。举例来说，在降压稳压器当中，相等于直 流输出电流的峰间链波电流(Ipk-pk=Iout)，总功率损耗将增加不到10%。如果是大于此程度相当多的情况，则必须降低供应的交流链波电流，以维 持结点温度及操作寿命。在此有一个实用的基本原则，就是结点温度降低10℃，半导体的寿命就会增加两倍。实际上大部分的设计，因为电感限制的关系，倾向使 用低上许多的链波电流。另外，LED中的峰值电流，不应超过制造商指定的最大安全操作额定值。

LED应用于多种领域需多种电源拓扑支持

表1的信息可供作选择LED驱动器最佳切换拓扑的参考。除了这些拓扑之外，也可以使用简单的电流限制电阻或是线性稳压器，不过这些方法通常会耗用过多功 率。输入电压范围、驱动的LED数目、LED电流、隔离、电磁干扰(EMI)限制以及效能，都是相关的设计参数。大部分的LED驱动电路可分为以下几种拓 扑类别：降压、升压、降压升压、SEPIC以及返驰。

图1显示三个基本电源拓扑的例子，第一张图所显示的降压稳压器，可使用于输出电压永远小于输入电压的情形。图1中，降压稳压器改变金属氧化半导体场效晶体 管(MOSFET)的导通时间，以控制进入LED的电流。可越过电阻测量电压以进行电流侦测；电阻与LED为串联状态。驱动MOSFET是本方法在设计上 的重大挑战，如果从成本及效能的观点来看，建议使用须要浮接闸极驱动的N信道FET。N信道FET须要使用驱动变压器或是浮动驱动电路，两者都可维持电压 高于输入电压。

图1也显示替代的降压稳压器(Buck #2)。在此电路中，MOSFET的驱动与接地有关，大幅降低了驱动电路的需求。本电路侦测LED电流的方法为监控FET电流，或是与LED串联的电流侦 测电阻。如果采用后者，则须要使用位准移位电路，将此信息送至接地电源，并将简单的设计复杂化。同样显示于图1中的升压转换器，则是在输出电压永远大于输 入时使用。这种拓扑设计容易，因为MOSFET的驱动与接地有关，而电流侦测电阻也是属于接地引用类型。此电路的缺点是在短路时，无法限制通过电感的电 流，可以使用保险丝或电路断路器，作为故障保护装置。此外，还有一些较复杂的拓扑可提供这类保护。

图2显示两种降压升压电路，可在输入电压可能大于或小于输出电压的情形下使用。这些电路与前述两种降压拓扑有相同的折冲特点，与电流侦测电阻与门极驱动的 位置有关。图2的降压升压拓扑，显示接地参考的闸极驱动。此拓扑需要位准移位电流侦测讯号，不过反向的升压降压拓扑则具有接地参考的电流侦测及位准移位闸 极驱动。如果控制IC与负输出有关，且电流侦测电阻与LED进行交换，即可利用有效的方式配置反向升压降压拓扑。只要适当控制IC，即可直接测量输出电 流，也可以直接驱动MOSFET。

降压升压的拓扑方式电流相对较高，举例来说，如果输入及输出电压相同，电感及电源开关电流是输出电流的两倍以上，这对效能及功率消耗会造成负面影响。图3 的「升压或降压」拓扑可减轻这些问题，在此电路中会有一个升压功率级，之后则有一个降压功率级。如果输入电压高于输出电压，升压功率级就会提供电压调节， 而降压功率级则只传递功率。如果输入电压低于输出电压，则降压功率级提供电压调节，升压功率级传递功率。通常降压及升压的运作，会有一些重迭的时间，因此 在变换模式时不会出现死区(Dead-band)。

如果输入与输出电压几乎相同，则此电路所拥有的有利条件，就是开关与电感电流几乎等于输出电流，电感链波电流也会有较少的倾向。即使此电路中有四个功率开 关，通常仍有显著的效能增进现象，这是电池应用的关键所在。图3所显示的SEPIC拓扑所需的FET较少，但是需要更多被动组件。SEPIC拓扑的优势， 在于简易的接地参考FET及控制电路。此外，双通道电感可以结合为单耦合电感，节省面积与成本。不过和降压升压拓扑一样，SEPIC拓扑的开关电流较「降 压或升压」及脉冲输出电流为高，需要能处理大量RMS电流的电容器。

基于安全考虑，可能会规定在脱机电压及输出电压之间进行隔离。此应用方式下，最节省成本的解决方法就是使用返驰转换器(图4)，在所有的隔离拓扑中，这种 作法所需要的组件数量最少。变压器匝数比可用来对输出电压进行降压、升压或降压升压，设计弹性很大，不过缺点在于电源变压器基本上是订制组件。此外，在 FET以及输入和输出电容器中，也会有高组件应力的情形出现。应用固定灯光时，可以使用「慢速」的回馈控制循环，调节LED电流与输入电压同相位的情形， 进行功率因子校正(PFC)。这样可以调节所需的平均LED电流，并能调节输入电流与输入电压同相位的情形，以提供高功率因子。

LED调光技术　藉PWM降低亮度较佳

LED常须要调光，举例来说，有时可能须要调整显示亮度或是建筑照明。有两种方式可以达到这个目标，一是降低LED电流，二是快速开关LED让肉眼平均其 亮度。效果最差的方法就是降低电流，因为灯光输出与电流之间并不是完全的线性关系。此外，LED的颜色光谱在电流低于最大额定值时，会有偏移的倾向。人类 对亮度的察觉是一种指数关系，因此如果要调整亮度，可能须要大幅度改变电流，这对电路设计的影响甚大。因为在最大电流下3%的调节错误，可能会因为电路容 忍度，在10%的负载时出现30%以上的错误。藉由脉冲宽度调变(PWM)影响电流而降低亮度，是比较正确的作法，不过仍然有反应速度的问题。在照明或显 示时，须要使用100Hz以上的脉冲宽度调节，人类眼睛才不会察觉到闪烁的情形。10%的脉冲宽度是在毫秒范围之中，因此电源供应的带宽需要大于 10kHz。

针对不同LED应用　各种电源拓扑应运而生

如同表2所示，LED已广泛运用于各领域，因此需要许多种类的电源拓扑，支持LED的应用。一般而言，必须考虑输入电压、输出电压及对隔离的需求，以做出适当选择。

如果输入电压一定大于或小于输出电压，选择就很明确，一定是降压或升压。但如果彼此关系并不明确，便不易做出选择，有非常多的折冲作法，包括效能、成本以及可靠性等等。