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