从电气上来说,LED与二极管类似,它们也是单向导电(尽管它们的反向阻断能力并不太好,高的反向电压很容易损坏(LED),并具有与常规二极管类似的低动态阻抗V-I特性。另外,LED一般都有安全导通时的额定电流(高亮度LED的额定电流一般为350mA或700mA)。通过额定电流时,LED正向压降的差异可能比较大,通常350mA白光LED的压降在3~4V之间。
驱动LED需要受控的DC电流。为了使LED的使用寿命长些,LED电流中的纹波绕行电感器必须很低,因为高纹波电流会使LED产生较大的阻性功耗,降低LED使用寿命。LED驱动电路需要更高效率,因为总体效率不仅取决于LED本身,也与驱动电路有关。而工作于电流控制模式的开关转换器是满足LED应用的高功率及高效率要求的理想驱动方案。
驱动多个LED也需要仔细考虑。图1是LED的串并联连接电路。其中图1(a)为LED的并联连接电路。图1(h)是LED的串联连接电路。由于各个LED的动态阻抗和正向压降不相同,因此,如果没有外部均流电路(如电流镜像),就不可能保证流过LED上的电流相同;此外,由于一个LED 出现故障将使LED串断开,从而致使所有LED电流在剩下的LED串之间分配,这将导致LED串上的电流增大,从而可能损坏LED。因此,出于上面两个原因,设计时一般不用如图1(a)那样的并联LED电路。
绕线贴片电感
因此,更好的做法是将LED串联起来。但该方法的缺点是,如果功率电感器一个LED 出现故障,则整个LED串将停止工作。让剩下的LED串继续工作的一个简单办法是将一个齐纳二极管(其额定电压大于LED的最高电压)与每个(或每组)LED并联,如图1(b)所示。这样,任何一个LED发生故障后,其电流都会流到相应的齐纳二极管上,LED串的其余部分仍可正常工作。
基本的单阶开关转换器可分为三类:降压转换器、升压转换器和升降压转换器。当LED串的电压低于输入电压时,降压转换器图2(a)是理想的选择;当输入电压总是低于串输出电压时,则使用升压转换器比较合适图2(b);当输出电压可能高于也可能低于输入电压时(由输出或输入变化引起),则采用升降压转换器图2(c)比较合适。升压转换器的缺点是,输入电压的任何瞬变(可使输入电压升高并超过输出电压)都会导致LED上流过很大电流(由于负载的低动态阻抗),从而损坏LED。升降压转换器也可代替升压转换器,因为输入电压的瞬变不会影响LED电流。
升降压转换器的工作原理
对于低电压应用中的LED驱动器,升降压转换器是一种不错的选择。其原因有它们可用高于和低于输入电压的电压来驱动LED串(升压和降压)、效率很高(很容易到达85%以上)、非连续工作模式可抑制输入电压的变化(提供优良的线电压调节)、峰值电流共模电感控制模式允许转换器调节LED电流,而无需复杂的补偿(简化设计)、很容易实现线性和PWM LED亮度调节、开关晶体管失效不会损坏LED等等。图2给出了降压、升压和升降压转换器与LED串的连接电路。
但是,这种方法仍有缺点:一是峰值电流受控问题,因为采用非连续电流模式的升降压转换器是一种功率恒定的转换器。因此,LED串电压的任何变化都会引起LED电流的相应改变;另一个问题是LED开路状态会在电路中产生损坏转换器的高电压;此外,还需要额外的电路将恒定功率转换器转变为恒定电流转换器,并需要在无负载情况下保护转换器。
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