作者： Robert Kollman，德州仪器 (TI)

摘要

本文简要描述了 LED 特性以及驱动 LED 的电源设计权衡因素。此外，本文还介绍了几款典型的电源应用电路，并详细阐述了如何关闭反馈环路 。本文还讨论了如何对 LED 调光，并提供了两种调光方法。t

引言

随着 LED 生产成本的降低，其应用范围越来越广，其中包括手持终端设备、车载以及建筑照明。LED 的高可靠性、极佳的效率以及瞬态响应能力使 得它们成为颇具吸引力的光源。尽管白炽灯泡的成本非常低，但是多次更换白炽灯泡也将是一笔很大的开销，路灯就是个很好的例子。完成此项工作 需要一个工作组及一辆卡车对故障灯泡进行更换。因此，在此类应用中，使用 LED 可以大大降低成本。虽然 LED 和白炽灯泡的效率几乎相同，但由于 上述一些原因，在路灯应用中将用 LED 代替白炽灯泡，这样不但可以提高可靠性，而且还能节省能源。

白炽灯泡可以发出各种各样的光线，但是在具体的应用中我们通常只需要绿色、红色以及黄色光线——例如交通信号灯。若要使用白炽灯泡，则需 使用一个滤波器，这会浪费掉 60% 的光能，而 LED 则可以直接产生所需颜色的光线，并且在上电时，LED 几乎是瞬间发光，而白炽灯则需要 200mS 的 响应时间。因此，汽车行业在刹车灯设计中采用了 LED。另外，LED 将作为 DLP 视频应用中的光源，从而以快速开关的 LED 替代了机械组合。

LED I-V 特性

图 1 显示了典型 InGaAlP LED 的正向电压特征。您也可以把 LED 作为电压源与电阻串联建模，并查看模型与实际测量之间的密切关联性。电压源拥 有一个负的温度系数，当结温上升时，电压源的正向电压会发生负的变化。InGaAlP LED（黄色和琥珀红）的系数在 –3.0mV/K 到 –5.2mV/K 之间，而 InGaN LED（蓝色、绿色以及白色）的系数则在 –3.6mV/K 和 –5.2mV/K 之间。这就是为什么不能直接对 LED 进行并联的一个原因。产生热量最多的器件往往需 要更大的电流，更大的电流会产生更多的热量，进而引起散热失控。

图 1 LED 作为电阻与电压源串联建模

图 2 显示了作为工作电流函数的相对光输出（光通量）。很明显，光输出与二极管电流是密切相关的，因此可以通过改变正向电流进行调光。并且， 在电流较小时，曲线几乎是一条直线，但是在电流增大时，其斜率变小了。这就是说，在电流较低的时候，若将二极管电流增大一倍，则光输出也会增 加一倍；但是电流较高的时候，情况就截然不同了：电流上升 100% 仅能使光输出量增加 80%。这一点很重要，因为 LED 是由开关电源驱动的，这会导 致在 LED 中产生相当大的纹波电流。实际上，电源的成本在某种程度上是由所允许的电流大小决定的，纹波电流越大，电源成本就越低，但光输出会 因此受到影响。

图 2 电流超过 1A 以上，LED 效率就会降低

图 3 量化显示了叠加于 DC 输出电流之上的三角纹波电流所引起的光输出的减少。在绝大多数情况下，该纹波电流的频率高于肉眼可以看到的 80Hz。并且，肉眼对光线的响应是指数式的，不能察觉出小于 20% 的光线减弱。因此，即使 LED 中出现相当大的纹波电流，我们也不会察觉出光输出的 减少。

图 3 纹波电流对 LED 光输出的轻微影响

此外，纹波电流还通过提高功耗而影响 LED 性能，这可能导致结温升高，而且对 LED 的使用寿命有重大影响。图 4 给出了一个例子，其中 LED 的相 对光输出是时间和结温的函数。如果我们确立了 LED 的使用寿命光输出为额定的 80%，则 LED 的使用寿命将从 74 摄氏度时的 10000 小时延长到 63 摄氏度时的 25000 小时。

图 4 高结温会缩短 LED 的使用寿命

图 5 量化显示了由于纹波电流造成的 LED 功耗的增加。与 LED 的散热时间常量相比，由于纹波频率较高，因此高纹波电流（以及高峰值功耗）不会 影响峰值结温，其是由平均功耗决定的。LED 的大部分压降就像一个电压源，因此电流波形对功耗没有影响。然而，压降有一个电阻分量，并且功耗由 该电阻乘以均方根 (RMS) 电流的平方决定。

图 5 还阐明即使是在纹波电流较大的时候，对功耗也没有重大影响。例如，50% 的纹波电流仅增加不到 5% 的功率损耗。当大大超过此水平时，您 需要减小电源的 DC 电流以保持结温不变，从而维持半导体的使用寿命。根据经验结温每降低 10 摄氏度，半导体的使用寿命就会延长两倍。并且，由 于电感的限制许多的设计都倾向于更小的纹波电流。绝大多数的电感的设计旨在处理小于 20% 的 Ipk/Iout 纹波电流比率。

图 5 纹波电流增加了 LED 的功耗

典型应用

LED 中的电流在很多情况下都是由镇流电阻或线性稳压器进行控制的。但是，本文中我们主要讲述的是开关稳压器。在驱动 LED 时常用的三种基 本的电路拓扑为：降压拓扑、升压拓扑以及降压—升压拓扑。采用何种拓扑结构取决于输入电压和输出电压的关系。

在输出电压始终小于输入电压的情况下，应使用降压稳压器，图 6 显示了该拓扑结构。在该电路中，对电源开关的占空比 (duty factor) 进行了控制， 以在输出滤波器电感 L1 上确立平均电压。当 FET 开关闭合时（TPS5430 内部），其将输入电压连接到电感，并在 L1 中形成电流。环流二极管 D2 提供了 开关断开时的电流路径。电感可对流经 LED 的电流起到平滑的作用，通过用电阻监控（测量）LED 电流，并将该电压与控制 IC 内部的参考电压进行比 较，从而最终实现对流经 LED 的电流的调节。如果电流太低，则占空比增加，平均电压也上升——从而也就导致了电流的升高。由于电源开关、环流二 极管以及电流检测电阻上的压降非常低，该电路可提供极佳的效率。

图 6 降压 LED 驱动器逐步降低输入电压

当输出电压总是比输入电压大时，最好是采用如图 7 所示的升压转换电路。该电路的 U1 中也有一个带有控制电子器件的高度集成的电源开关。当 开关闭合时，电流流经电感到接地。当开关断开时，U1 引脚 1 上的电压会不断升高，直到 D1 导通。然后电感放电，电流进入输出电容器 (C3) 和 LED 串 。在大多数应用中，C3 通常用于平滑 LED 电流。如果没有 C3，则 LED 电流将是断断续续的。也就是说，它会在零和电感电流之间切换，这会导致 LED 热量增加（从而缩短使用寿命），并且亮度减少。在前面的例子中，LED 的电流是通过一个电阻检测的，并且占空比会发生相应地变化。请注意本拓扑存 在一个严重的问题，即它没有短路保护电路。若输出短路，则会有较大的电流通过电感器和二极管，从而导致电路故障，或者输入电压崩溃。

图 7 高度集成的升压 LED 驱动器逐步升高输入电压

许多时候输入电压范围变化很大，其可以高于或低于输出电压，此时降压拓扑和升压拓扑结构就不起作用了。并且，可能在升压应用中需要短路保 护。在这些情况下，您可能非常想使用降压—升压拓扑结构（请参见图 8）。当电源开关闭合、电感有电流通过时该电路就相当于升压电路；当电源开关 断开时，电感开始放电，电流进入输出电容和 LED。不过，输出电压不是正的，而是负的。此外，请注意本拓扑中不存在像升压转换转中出现的短路问 题，因为其通过使电源开关 Q1 开路，提供了短路保护功能。该电路的另一个值得注意的特性是虽然其是一个负的输出，但并不需要对传感电路的电平 进行转换。在本设计中，控制 IC 接地到负的输出，并且可直接测量电流检测电阻 R100 上的电压。尽管本例中仅显示了一个 LED，但是通过串联可以连 接许多 LED。电压的上限是控制 IC 的最大额定电压；输入电压加上输出电压的和不能超过该限值。

图 8 降压—升压电流可限制和处理广泛的输入范围

关闭环控制电路

关闭 LED 电源上的电流环路比关闭传统电源上的电压环路要简单的多。环路的复杂性取决于输出滤波器结构。图 9 显示了三种可能的结构：只有 一个电感的简单滤波器 (A)；典型的电源滤波器 (B)；以及改良的滤波器 (C)。

图 9 电位输出滤波器结构

为每一个功率级都构建一个简单的 P-Spice 模型，以阐明每一功率级控制特性的区别。降压功率 FET 和二极管的开关动作建模为压控电压源，增益 为 10，而 LED 则建模为与 6V 电压源串联的 3Ω的电阻。在 LED 和接地之间添加了一个 1Ω 的电阻，用于对电流进行检测，图 10 显示了其结果。在电路 A 中，该响应就是稳定的一阶系统的响应。DC 增益由压控电压源（LED 电阻和电流检测电阻构成的分压器）确定，系统的极性由输出电感和电路电阻决 定，补偿电路则简单地由类型 2 放大器构成。电路 B 由于增加了输出电容，因此有二阶响应。若 LED 的纹波电流过大并达到难以接受的程度，则可能 需要该输出电容，这是由于 EMI 或热量等问题的出现造成的。DC 增益与第一个电路一样。不过，在输出电感和电容确定的频率处有一对复极点。

滤波器的总相移为 180 度。若没有很好地设计补偿电路，可能会导致系统不稳定。补偿电路的设计与传统电压模式电源相类似，传统电压模式电源 要求有一个类型 3 的放大器。与电路 A 相比，该补偿电路增加了两个组件以及一个输出电容。在电路 3 中我们对输出电容进行了重定位，以便更容易 对电路进行补偿。LED 的纹波电压与电路 B 类似，所不同的是电感的纹波电流流过电流检测电阻 R105。因此在计算功耗时也要考虑到这一部分功耗。 该电路有一个零点，一对极点，并且其补偿设计与电路 A 差不多简单，DC 增益也与前两个电路相同。该电路的电容和 LED 串联电阻引入了一个零极， 并拥有两个极点，一个由输出电容和电流检测电阻确定；另一个则由电流检测电阻和输出电感确定。在高频率时，其响应与电路 A 一样。

图 10 电位滤波器的增益和相位图

调光

通常，我们需要对 LED 进行调光。例如，您需要调低显示器或建筑照明的亮度。实现上述目标有两种方法：您既可以降低 LED 的电流，也可以快速 地开关 LED。效率最低的方法是降低电流，因为光输出并不完全与电流呈线性，并且 LED 的色谱往往是在电流小于额定值时才会发生变化。请不要忘 记，人们对亮度的感知是指数式的，因此调光可能需要对电流进行很大更改，这对电路设计会造成很大的影响。考虑到电路的容差，满负载电流值工作 时 3% 的调节误差可以造成10% 负载时的30% 或更高的误差。通过电流波形的脉宽调制 (PWM) 进行调光更为准确，尽管这种方法存在响应速度问题。 在照明和显示器应用上，PWM 需要高于 100Hz 的频率，以使肉眼感觉不到闪烁。10% 的脉冲宽度在毫秒范围内，并要求电源的带宽大于 10kHz，此项 工作可以通过图 9（A 与 C）中简单的环路轻松地完成。图 11 阐明了带 PWM 调光功能的降压功率级电路。在本例中，LED 轻松地闭合/断开电路。通过 这种方式，控制环路总是处于激活状态，并实现了极快的瞬态响应（请参见图 12）。

图 11 Q1 用于对 LED 电流进行脉宽调制

图 12 PWM 技术可实现亚微秒的 LED 开关速度

结论

虽然 LED 的应用日益盛行，但仍有许多电源管理问题亟待解决。在需要高度可靠性和安全性的汽车市场上，LED 器件得到了广泛的应用。车载电气 系统对电源质量要求很高，因此，必须设计保护电路避免在电压超过 60V 时出现“抛负载”现象。建筑照明 LED 的电源设计问题也很多，由于其经常是离 线式运行，因此需要进行功率因数校正，以及对电流和亮度的控制。另外，LED 正被广泛地整合到投影和电视等产品中，此类产品要求快速的响应、控 制良好的电流、以及完美的开关控制，这些都给设计人员提出了新的挑战。

作者简介

Robert Kollman 在电源电子领域拥有超过 30 年的工作经验。目前，他负责一个工程师小组的管理工作，该工作小组通过电源设计来支持 TI 战略客户 。他曾先后毕业于德州农工大学 (Texas A&M University) 和得克萨斯州达拉斯南卫理公会大学 (Southern Methodist University, Dallas, Texas)，分别获电子工 程理学士学位和电子工程硕士学位。