诠释LED电源拓扑如何完美提升LED照明能效

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。