高效率LED驅動電源設計全解(2)
如果輸入電壓的變動范圍很大，有時高于輸出電壓，有時又低于輸出電壓，那么單純的降壓或升壓架構就不適用。除此之外，升壓應用還可能需要短路保護功能。在此狀況下，設計人員應采用圖8所示的升降壓架構。這個電路與升壓轉換架構很類似，會在功率開關導通時建立電感電流，等到功率開關停止導通，電感電流就會通過輸出電容和LED。這種設計與升壓轉換架構的區別在于輸出電壓不是正值，而是負電壓。此架構還能在輸出短路時將開關Q1切斷，所以可以避免升壓架構發生的短路問題。此電路的另一特點是盡管輸出為負電壓，感測電路卻不需執行電壓位準轉換——因為控制組件的地線連接到負輸出端，并直接測量感測電阻R100兩端的電壓。圖8中雖然只有1個LED，實際應用卻可串聯多顆。另外要注意的是，輸入電壓與輸出電壓的總和不能超過控制組件的最大電壓額定值。
圖8：升降壓架構支持很大的輸入電壓范圍
控制回路設計
LED電源供應的電流回路設計要比傳統電源供應的電壓回路簡單。電流回路的復雜性是由輸出濾波架構決定的。圖9就是三種常見架構，分別是單純的電感濾波器（A）、典型的電源供應濾波器（B）和改良型濾波器設計（C）。
圖9：三種不同的輸出濾波架構
為每個功率級電路建立簡單的P-Spice模型，以說明其控制特性的個別差異。其中降壓轉換功率FET與二極管的開關動作由一個10倍增益的壓控電壓源代表，LED由一個3Ω電阻串聯6V電壓源代表，LED與接地之間還有一個1Ω的電流感測電阻。模擬結果如圖10所示。
圖10：三種濾波器架構的增益與相位圖
電路A是相當穩定的一階系統響應，其中，直流增益是由壓控電壓源、LED阻抗所構成的分壓器以及電流感測電阻所決定，系統極點則由輸出電感與電路阻抗決定。補償電路設計也很簡單，只要使用乙類放大器即可。
電路B由于包含輸出電容，所以會有二階響應。增加輸出電容是因為某些應用在電磁干擾或散熱因素的考慮下，不能容忍LED出現太大的紋波電流，因此需要輸出電容來消除紋波電流。這個電路的直流增益與前面的電路相同，但它會在輸出電感和電容所決定的頻率點上產生一對復數極點。由于濾波電路的總相位移為180°，因此補償電路設計必須謹慎以免系統不穩定。補償電路設計與采用丙類放大器的傳統電壓模式電源供應很類似，但比電路A多出兩顆零件和輸出電容。
電路C則會重新安排輸出電容的位置，使電路補償更容易。LED兩端的紋波電壓與電路B很類似，只不過電感紋波電流會通過電流感測電阻R105，這在計算功耗時必須考慮。此電路的補償設計幾乎和電路A同樣簡單，直流增益也與前面兩種電路相同。電路共有1個零點和2個極點，零點由電容和LED串聯電阻產生。第一個極點由輸出電容和電流感測電阻決定，第二個極點由電流感測電阻和輸出電感決定。當頻率很高時，此電路的響應與電路A相同。
調光
許多應用都需要LED調光功能，像是顯示器亮度控制和建筑照明調整。LED調光方式有兩種，一種是減少LED電流，另一種是讓LED快速導通和截止。由于輸出光強度不全與電流成正比，LED光譜在電流低于額定值時還常會移動，所以減少LED電流不是很有效率的做法。另外，人類的亮度感受還與光強度成指數關系，需大幅改變電流才能達到調光效果，這對電路設計造成很大影響，例如，電路容差（circuit tolerance）就能讓3%的滿負載電流誤差在10%負載時增為30%以上。
電流波形脈沖寬度調變（PWM）雖然提供更精確的亮度調整，但響應速度要特別注意，如照明和顯示器應用就必須讓PWM速度超過100Hz，否則看起來會有閃爍的感覺。假設PWM頻率為100Hz，那么10%的脈沖寬度就已進入毫秒范圍，是故電源供應必須提供10kHz以上的帶寬。圖9中的A和C簡單回路都能輕易達到此要求。圖11是包含PWM調光功能的降壓轉換功率級電路，會不停接通和切斷LED與電路的聯機。這種架構讓控制回路永遠處于工作狀態，故能提供非常快速的瞬時響應 （見圖12）。
圖11：利用Q1對LED電流進行脈沖寬度調變
圖12：PWM技術提供1μs以內的LED切換速度
結語
盡管LED應用日益流行，仍有許多電源管理問題需要解決。例如，LED在注重可靠性與安全性的汽車市場的應用雖已大幅成長，但汽車電路系統的電源環境其實相當嚴苛，所以保護電路設計必須能夠承受60V以上的電壓突降。