很多时候输入电压范围变化很大,其可以高于或低于输出电压,此时降压拓扑和升压拓扑结构就不起作用了。并且,可能在升压应用中需要短路保护。在这些情况下,就需要使用降压-升压拓扑结构(见图8)。当电源开关闭合、电感有电流通过时该电路就相当于升压电路;当电源开关断开时,电感开始放电,电流进入输出电容和LED。不过,输出电压不是正的,而是负的。此外,请注意本拓扑中不存在像升压转换转中出现的短路问题,因为电源开关Q1开路能提供短路保护功能。该电路的另一个值得注意的特性是,虽然其是一个负的输出,但并不需要对传感电路的电平进行转换。在本设计中,控制IC接地到负的输出,并且可直接测量电流检测电阻R100上的电压。尽管本例中仅显示了一个LED,但是通过串联可以连接许多 LED。电压的上限是控制IC的最大额定电压,输入电压加上输出电压的和不能超过该限值。
图9 电位输出滤波器结构
关闭环控制电路
关闭LED电源上的电流环路比关闭传统电源上的电压环路要简单得多。环路的复杂性取决于输出滤波器结构。图9显示了三种可能的结构:只有一个电感的简单滤波器(A);典型的电源滤波器(B);以及改良的滤波器(C)。
为每一个功率级都构建一个简单的P-Spice模型,以阐明每一功率级控制特性的区别。降压功率 FET 和二极管的开关动作建模为压控电压源,增益为10,而LED则建模为与6V电压源串联的3Ω的电阻。在LED和接地之间添加了一个1Ω的电阻,用于对电流进行检测。在电路A中,该响应就是稳定的一阶系统的响应。直流增益由压控电压源(LED电阻和电流检测电阻构成的分压器)确定,系统的极性由输出电感和电路电阻决定。电路B由于增加了输出电容,因此有二阶响应。若LED的纹波电流过大并达到难以接受的程度,则可能需要该输出电容,这是由于EMI或热量等问题的出现造成的。直流增益与第一个电路一样。不过,在输出电感和电容确定的频率处有一对复极点。
图10 Q1用于对LED电流进行脉宽调制
图11 PWM技术可实现亚微秒的LED开关速度
滤波器的总相移为180°。若没有很好地设计补偿电路,可能会导致系统不稳定。与电路A相比,该补偿电路增加了两个组件以及一个输出电容。在电路C中,我们对输出电容进行了重定位,以便更容易对电路进行补偿。LED的纹波电压与电路B类似,所不同的是电感的纹波电流流过电流检测电阻R105,因此在计算功耗时也要考虑到这一部分功耗。该电路有一个零点、一对极点,并且其补偿设计与电路A差不多简单,直流增益也与前两个电路相同。在高频率时,其响应与电路A一样。
调光
通常,我们需要对LED进行调光。例如,需要调低显示器或建筑照明的亮度。实现上述目标有两种方法:降低LED的电流,或快速地开关LED。效率最低的方法是降低电流,因为光输出并不完全与电流呈线性,并且LED的色谱往往是在电流小于额定值时才会发生变化。请不要忘记,人们对亮度的感知是指数式的,因此调光可能需要电流进行很大变化,这对电路设计会造成很大影响。考虑到电路的容差,满负载电流值工作时,3%的调节误差可以造成10%负载时的30%或更高的误差。通过电流波形的脉宽调制(PWM)进行调光更为准确,尽管这种方法存在响应速度问题。在照明和显示器应用上,PWM需要高于100Hz的频率,以使肉眼感觉不到闪烁。10%的脉冲宽度在ms范围内,并要求电源的带宽大于10kHz,此项工作可以通过图9(A与C)中简单的环路轻松地完成。图10阐明了带PWM调光功能的降压功率级电路。在本例中,LED轻松地闭合/断开电路。通过这种方式,控制环路总是处于激活状态,并实现了极快的瞬态响应(见图11)。
结论
虽然LED的应用日益盛行,但仍有许多电源管理问题亟待解决。在需要高度可靠性和安全性的汽车市场上,LED器件得到了广泛的应用。车载电气系统对电源质量要求很高,因此,必须设计保护电路避免在电压超过60V时出现“抛负载”现象。建筑照明LED的电源设计问题也很多,由于其经常是离线式运行,因此需要进行功率因数校正,以及对电流和亮度的控制。另外,LED正被广泛地整合到投影和电视等产品中,此类产品要求快速的响应、控制良好的电流,以及完美的开关控制,这些都给设计人员提出了新的挑战。