高亮度ＬＥＤ驅動器的設計優化

在各種不同類型的光源中，高亮度LED(發光二極管)目前增長勢頭良好，正開始替代白熾燈、鹵素燈、熒光燈、HID氙氣燈等其它種類的光源。過去，由于受到光線輸出的限制，LED只適用于儀器發光。近年來，高亮度LED(HBLED)開始用于建筑照明、裝飾照明，以及標識牌照明等。HBLED亦成為CCFL(冷陰極熒光燈)光源的有力替代品，用作液晶電視和顯示器的背光照明。隨著HBLED技術的不斷發展，HBLED發光效率可以達到35至50 1m／W(流明，瓦)，已經超過了白熾燈和鹵素燈，并可以與熒光燈相媲美。如果HBLED技術進一步改善，發光效率將高達100 1m／W，從而超過熒光燈，并最終與HID燈一決高下。

應當指出，HBLED可以非常容易地實現全范圍內的調光，而熒光燈的調光不僅困難，成本也高，且當光輸出低于50％時不能調光。

HBLED的顏色、尺寸和額定功率各不相同。不同型號之間的電氣特性(尤其是正向壓降)差異較大；不同批次產品之間也有著很大不同，因而公差范圍很寬。此外，正向壓降的負溫度系數也增加了為具偉應用確定一款合適電源的難度。當前市場上出售的HBLED驅動電源大部分只是提供恒定電壓。這種方法雖然直觀上來講易于被非技術用戶所理解，但實際上增加了系統的局限性，同時降低了效率。

HBLED根據電流而不是電壓確定等級。例如，一個HBLED系列會包含多個型號，具有不同的顏色和正向壓降，但額定電流卻完全一致，如350mA或700mA。除了單只銷售以外，HBLED還廣泛以包含多支相連發光管的面板形式出售。

串聯HBLED電路中每只LED電流相同，不過正向壓降不同(其值位于4V區間內)，因此一串HBLED的累積電壓會迅速增加。為防止面板的供電電壓超過預期值，一般面板同時采用串聯與并聯LED網絡。例如，LumiledsFlood面板上有12支LED接成6個并聯LED對。

在上述情況中，制造商將HBLED接為并聯對。由于它們的正向壓降表現為負溫度系數，為防止其中一只LED比另一只導入更多電流，必須在生產時進行精確匹配。不幸的是，即使少量失配也會在工作中產生巨大影響，因為如果一只LED與另外一只相比正向壓偏低，其導入電流就會略高，溫度上升也會較快，因此正向壓降降低的速率將高于另一只，從而進一步加劇不平衡。即使制造商成功選擇了匹配的二極管，但由于六對相互串聯，每一對的正向壓降也各不相同。這種情況下，整個面板的總電壓為單只HBLED正向壓降的六倍。該面板目前有六種不同顏色可供選擇，正向壓降在17V至21V之間。此外，公差相比之下也較大，如白光面板的電壓范圍為16到24V。電壓的溫度系數為-12mV，攝氏度，也就是說如果在25度室溫下面板的電壓為17V，那么在溫度為50度時電壓將為16.7v。與此同時，無論在何種情況下，面板的額定電流都保持在700mA。

目前市場上出售的HBLED電源顯然無法為上述LED陣列提供電能，除非增加一個串聯限流電阻。增加這個電阻后額定17V的面板可以在24V定壓與700mA電流下正常工作，同時卻會產生(24-17)×0.7=0.49W的不必要散熱能耗。這有悖于節能照明的精神。另外，限流電阻也不是非常精確。當用一個24V電源以700mA為一個17V面板供電時。可以計算出電阻值為：(24-17)／0.7=10Ω。然而，如果面板電壓只有16V，則供電電流變為(24-16)／10=800mA，遠高于額定電流，會導致面板上LED的過驅動，降低使用壽命。另一方面，如果面板電壓為18V，則電流為(24-18)／10=600mA，導致光輸出明顯減弱。毫無疑問，在正向電壓隨溫度變化的效應下，恒壓方案表現出明顯的缺陷，驅動HBLED顯然需要恒流電源。

國際整流器公司最近推出了IRS2540控制IC，采用降壓轉換器結構設計，可在很寬的輸入電壓和輸出負載條件下提供穩定的已調整電流源，適用于多種不需要隔離的應用，比如電源已經隔離，或類似交通信號燈等HBLED被封裝在2級外殼中外界無法接觸的裝置。應該指出的是，在建筑照明中，熒光燈或HID燈的電子鎮流器與交流線之間一般也不存在電流隔離。

Buck電路結構只適用于輸入電壓高于輸出電壓的應用情況，比如大多數的標志牌、裝飾和建筑應用場合。HBLED最常見的故障是短路，在串聯工作方式下，當一支LED出現故障時，所有其它LED仍會正常工作。但在并聯結構中，一支LED短路會導致所有其它LED熄滅。如果陣列中一支HBLED出現短路故障，與其成對的另一只LED將不再工作，而其它LED仍能正常發光。

基于IRS2540的Buck轉換器采用獨有的高側驅動器，可連續監控負載電流，并通過時間延遲滯后控制法，精確地調節電流，該方法已獲得專利。

LED能夠將hADc總線或直接從整流后的交流線上獲得電能，因此整個系統顯得非常簡單靈活。無論Buck穩壓器開關處于ON還是OFF狀態，懸浮的高側驅動器都可以確保IRS2540探測LED的負載電流，從而提供優勢明顯的平均電流控制功能。與此相反，其它系統只能在ON期間探測電流，只能采用峰值電流控制。由于平均電流控制器不僅僅在ON期間，同時也可以在OFF期間進行調節，從而能夠在更寬的線路和負載范圍上工作而不會超出設計極限，因此自身具有穩定調節的特點。

優點：簡單的設計理念就能實現非常精確的電流控制，且自身具有穩定性，不需要復雜的電路分析。

由于LED負載需要最小紋波的直流電流，因此無論是峰值電流模式控制還是平均電流模式控制，都采用在連續導通模式下工作的恒流驅動器。

在IRS2540例子中，必須注意限制硬切換過程中的應力，即包含在負載電流超過或低于基準電平的時間以及Buck開關狀態改變時間之間的定義延遲。這一延遲與負載電流(IFB)的dI／dT相結合部分決定了系統運行時的頻率與占空比，同時頻率與占空比還進一步取決定于Buck電感、輸出電容值以及轉換器的輸入、輸出電壓值。

由于輸出電流恒定，且開路保護容易實現，因此這種結構本身就提供過載和短路保護。

眾所周知，開關電源設計如果采用峰值電流控制并在連續模式下運行，由于次諧波振蕩從而存在運行不穩定的風險。

采用斜坡補償(slope compensation)可以解決這一問題，但目前市場上的某些LED控制器并不支持振蕩器電容連接，因此很難實施。另外，斜坡補償也會引起被檢鍘電流與實際LED負載電流之間的誤差。

也有人試圖采用固定OFF時間(而不是固定頻率)的工作方式來解決這一問題。這樣雖然可以緩解次諧波振蕩問題，且占空比也大于50％，但是，為了增加占空比必須降低頻率，從而導致頻率在占空比范圍內的大幅波動。

對一個50％占空比、100kHz頻率、固定OFF時間的系統，90％占空比時頻率必須為20kHz，而10％占空比時頻率為180kHz。

由于ON和OFF時間都可以獨立變化，占空比的變化從而對頻率幾乎沒有影響，因此IRS2540不存在上述限制。

頻率大范圍變動的缺點是必須相應增大電感值。

有一種觀點認為，從濾波器簡單性考慮，固定頻率系統較基于IRS2540的可變頻率系統具有電磁兼容性(EMC)優勢。但現在人們意識到這種觀點建立在固定頻率電路的濾波器設計比可變頻率系統簡單這一誤解基礎上，因此固定頻率方案慢慢轉向可變頻率方案。不過.如果系統需要頻率變動達到一定的數量級.系統對濾波器的要求會會相應更高。

IRS2540SE作原理：以1.2A電流驅動一串17V正向電壓LED，直接采用經整流的110V交流電源，在175kHz頻率下效率高達85％以上。

很多應用領域都需要調光功能。此外，主色調不同的LED相互組合可以通過調節各種顏色的強度產生所有光譜色，從而為顯示、標識和氣氛照明產生各種不同效果。基于IRS2540的Buck穩壓器系統能夠調節脈寬調制(PWM)控制信號邏輯電平的全范圍內作調節。PWM信號頻率相對較低，可用于切換LED驅動電流的開、關，并通過占空比在不改變光輸出顏色的情況下改變光輸出強度。

高頻Buck轉換振蕩器在“突發模式”下運行，以調節LED的平均電流。信號頻率不會過低而產生閃爍。同時簡化了與基于微控制器的調光控制電路的連接。

有了高亮度LED，建筑師、設計者、規范制定者和制造商能夠為劇院、工作室、夜總會，餐館和其它需要高亮照明的地點創造出前所未有的照明效果及燈光亮度。例如，通過使用DMX512協議等數字控制，各個角度都可以顯現出生動變化的照明效果。無論燈具是嵌在臺面、天花板還是墻面，燈具尺寸都不再決定照明角度。伴隨HBLED技術的不斷改進，照明世界正在經歷天翻地覆的變化。

HBLED與白熾燈和熒光燈相比具有使用壽命長，維護成本低，以及不容易受到潮氣影響等優勢，因而非常適合景觀照明與室外照明。與傳統燈泡不同，LED內部沒有燈絲等易碎元件，無需輕拿輕放。基于IRS2540的轉換器是上述應用領域的理想選擇。