仍然需要常电流
如同线性和Buck衍生LED驱动一样,Boost LED驱动设计中的重要技巧挑衅是要给阵列中的每个LED供给一个可控前向电流IF。幻想状态下,每个LED都有安装一个单组链来确保通过每个设备的电流都雷同。当需要把输进DC电压晋升到一个高DC输出电压的时候,Boost调节器是最简略的选择,由于它答应在给定电压下串联更多的LED。
图1:带有Vo盘算的Bulk和BoostLED驱动:buck:VO=nxVF,VOVIN。
通用照明系统设计者通常需要把线路电压设计成110VAC或者220VAC。假如功率因数校订(PFC)、隔离和线路谐波滤波都不需要的话,那么单级非隔离转换器(buck,boost,或各种buck-boost拓扑)就可以应用AC电压的校订输出来直接驱动长串的串接LED。
然而,在很多情况下,我们需要应用一个中间DC总线电压,它是由一个采用了通用AC输进并且PFC、隔离和滤波的AC/DC调节器产生的。包含法律请求在内,一个低中间电压总线下降了电介质击穿和电弧标题,使维修职员的的工作更安全。
欧盟提出了世界上最严格的法律规定:任何高于25瓦的光源都要具有PFC。没有几年,北美和亚洲也做出了同样的规定。诸如UL和CE这样的安全尺度电气规定限制了供应boostLED驱动的AC/DC供电输出电压。通常电压规定为12和24V,有时是48V。这些中间电压总线很少超过60V,也就是ULClass2定为DC电压的最高值。
Boost调节器
不管我们是否要把持输出电压或输出电流,Boost调节器都要比Buck调节器更难设计。持续导通状态(CCM)Boost转换器中的均匀感应电流即是负载电流(LED电流)乘以1/(1-D),这里D是占空度。Boost电压调节器需要设计者考虑到输进电压的限制来保证电感的准确设计,特别是额定峰值电流。
Boost LED驱动加了一个可变输出电压,这个电压影响了占空比,因此也影响了主电感器的电感值和额定电流。为了避免电感饱和,最大均匀值和电流峰值必需由VIN-MIN和VO-MAX同时求出。例如,历数加工、驱动电流和模具温度,一个尺度的白InGaN LED的VF可以从3V变到4V。串联的LED越多,VO-MIN和VO-MAX的间距就越大。
不同于带有输出电感的Bulk调节器,Boost转换器有一个非持续输出电流。因此,输出电容需要输出电压要持续(输出电流也如此)。这里,电压调节器中的输出电容被设计成兼有滤波器并且在负载瞬变时可以保持输出电压,在电流调节中,它只是起到了类似一个AC电流滤波器的作用。电容值要尽量低,并且要与所期看的LED波动电流保持一致。输出电容越小(同时也可以尽量下降本钱和大小),转换器对输出电流的回应就越快,这样LED的调光反应就越好。
Boost转换器的另外一个严重挑衅是把持环。Buck调节器答应电压模式的PWM把持、峰值电流模式的PWM把持、constant/controlledon-time以及其它的滞后把持。留心到处于CCM的Boost调节器(低功率、便携设备除外)的右半平面零和在把持开关封闭的时候还在向输出供电的特征,它们几乎被限定在峰值电流模式PWM把持。要设计一个把持输出电流的BoostLED驱动,把持环必需要把LED看作是负载来分析,这与Boost电压调节器的典范负载非常不同。
在峰值电流模式把持中,负载阻抗对DC增益和把持到输出转换函数的低频极点有很大影响。对电压调节器来说,负载阻抗由输出电压与输出电流的比值来决定。LED是个拥有动态电阻的二极管。这个动态电阻只能通过做出VF(IF)曲线,然后用切线来找到盼看的前向电流的斜率来决定。如图1所示,电流调节器应用负载本身来作为反馈分频器来闭环。这就使DC增益下降了(RSNS/(RSNS+rD))倍。
我们趋向于用一个简略的积分器就义稳固带宽来补偿BoostLED驱动。事实上是大多数或者说很多LED驱动利用需要调光。无论调光是通过IF的线性调节(模仿调光)来完成,还是通过高频打开或切断输出(数字或PWM调光)来实现,系统都需要像电压调节器实现的高带宽和快速瞬变回应。
Buck-boost调节器
照明用LED的开发要比固态光源尺度的发展快得多。大批不同种类的LED拥有很多不同的供电电压。串联的LED的数目、种类及其不同的加工和模具温度都产生了不同的输出电压。例如,高端汽车正在过渡到利用LED来作为日间行驶灯。三个3瓦白色LED组成了一个12V1A的负载。汽车电压系统通常需要持续工作于9到16V,并且可以延伸到6到42V,使系统可以无损运行,但是其性能可能要有折扣。通常来说,Buck调节器是最好的LED驱动器,其次是Boost,但是在这个利用中,他们没有优劣之分。假如必定要用Buck-boost调节器,最难的决定就是采用哪种拓扑。
任何拓扑的Buck-boost调节器和Buck调节器或Boost调节器的最基础的差别是Buck-boost从来没有把输进供电直接连接到输出。在一部分转换环中,Buck和Boost调节器把VIN连接到VO(通过电感和开关/二极管),这个直连使它们更有效率。
所有的Buck-boost都把所有要传送给负载的能量储存或者磁场(电感或变压器)或者电场(电容)中,这样就导致了电源转换中的高峰值电流或者更高电压。特别的一点是要考虑在输进电压和输出电压的拐角,由于峰值转换电流产生在VIN-MIN和VO-MAX,但是峰值转换电压产生在VIN-MAX、VIN-MAX和VO-MAX。一般来说,这意味着拥有一个这样的输出功率的Buck-boost调节器要比一个同样输出功率的Buck或Boost调节器更大且效率更低。
单电感Buck-boost可以像Buck或Boost调节器一样组建,使它在系统本钱的角度来讲很吸引人。这种拓扑的一个毛病是Vo被反置(图2a)或者以VIN为参照(图2b)。测平移动或者反偏电路必需要用一些转换器。像boost转换器,它们有一个不持续输出电流,并且需要一个输出电容来保持一个持续LED电流。功率MOSFET要蒙受一个峰值为IIN加上IF的电流还有一个峰值为VIN加上VO的电压。
图2:(a) 高端buck-boost (b)低端buck-boost
其它拓扑
SEPIC转换器拥有持续输进电流的长处,这个持续输进电流是由输进电感和正输出电压产生的。像boost和单电感buck-boost,它们需要一个输出电容来保持一个平滑LED电流。另外一个SEPIC转换器的长处是几乎任何一个低端调节器或者把持器都可以被设置成为一个毋需反偏或测平移动电路的SEPIC。
图3:SEPICLED驱动
很少被用作电压调节的Cuk转换器作为LED驱动而崭露头角。输进和输出电流都是持续的。输出电压的极性就像高端buck-boost一样被反置,但是输出电容像buck转换器一样被打消。除Buck-boost和boost以外,Cuk是拥有这种才能的唯一的实用型非隔离调节器。
图4:Cuk调节器
由于Boost和Buck-boost调节器的高度复杂性及其外围电路、低效(特别是Buck-boost)和把持拓扑的选择不足,致使它们都不是转换LED驱动的首选。但是它们都是LED越来越多的照明利用必不可少的。某些系统结构可以用buck或者甚至是线性以调节器为基础的LED驱动来调换。比如类似于街灯的大型光源需要一百甚至更多的1W+LED。一般来说,针对通用照明的LED从低功耗走向高功耗,并且在其中间舞台,比如汽车前灯和小型光部件,boost和buck-boost调节器代表了常电流驱动的最佳选择。