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拓朴电压电流TI 利用反相升降压拓朴调节LED电流

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若需控制LED亮度,就必须具备能够提供恒定、稳压电流的驱动器。而要达到此目标,驱动器拓朴必须能产生足够的输出电压来顺向偏置LED。那麽当输入和输出电压范围重叠时,设计人员又该如何选择呢?转换器有时可能需要逐渐降低输入电压,但有时也可能需要升高输出电压。以上情况通常出现在那些具有大范围"脏"(dirty)输入功率来源的应用中,例如车载系统。在这种降压/升压的操作中,几种拓朴可以达到较好的效果,像是SEPIC或四次切换升降压拓朴。这些拓朴一般需要大量的元件,设计的材料成本也因而增加。但由於它们可提供正输出电压,因此设计人员通常视其为可接受的方案。不过负输出电压转换器也是另一种不该被忽略的替代解决方案。

图1显示在恒定电流配置中驱动3个LED的反相升降压电路示意图。该电路拥有诸多优点。首先,它使用了标准降压控制器,不但能将成本降到最低,并有助於所有系统级的再利用。如果需要,设计人员也可以轻松改造该电路以利用整合型FET降压控制器或同步降压拓朴来提升效率。这种拓朴使用的功率级元件数目与简易降压转换器相同,因此可将切换稳压器的元件数降至最低,同时达到相对於其他拓朴的最低总体成本。由於LED本身的输出为光线,就系统级而言LED因受到负电压而产生偏压并不会造成影响,跟正电压的情况不同,也因此使其成为一种值得考虑的电路设计。

图 1 利用负输出电压,以升降压拓朴调节恒定 LED 电流

图 1 利用负输出电压,以升降压拓朴调节恒定 LED 电流

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LED电流的调节是透过感应感测电阻R1两端的电压并将其用作控制电路的反馈。控制器接地接脚必须为负输出电压的参考电压,以便让该直接反馈正常运作。如果控制器为系统接地的参考电压,则需要一个电平移位电路。这种"负接地"对电路构成了一些限制。功率MOSFET、二极体和控制器的额定电压必须高於输入与输出电压的总和。

其次,从外部连接控制器(例如致能)需要将讯号从系统接地到控制器接地进行电平移位,因此需要更多的元件。单就这个原因而言,消除或将不必要的外部控制减至最低是最好的办法。

最後相较於四次切换的升降压拓朴,反相升降压拓朴中的功率装置会受到额外的电压和电流压力,进而降低了相关效率,但该效率与SEPIC相当。即便如此,这种电路还是能够达到89%的效率。藉由该电路的完全同步化,效率还可以再提高2%~3%。

透过软启动电容器C5的短路快速地开/关转换器,是调节LED亮度一种简单的方法。图2显示了PWM输入讯号和实际的LED电流。这种PWM亮度调节方法较为有效,因为转换器关闭并且在SS接脚短路时仅消耗极少的功率。但是这种方法也相对较慢,因为转换器每次开启时都必须以一种可控制方式逐渐升高输出电流,进而在输出电流上升以前产生一个非线性、有限的停滞时间(dead-time)。同时,这也将开启时间的最小负载周期降低至10%-20%。在一些不要求高速和100%PWM调节的LED应用中,这种方法或许就已足够。

这种反相升降压电路为工程师提供了另一种驱动LED的方法。低成本降压控制器的使用以及较少的元件数量使其成为替代高复杂度拓朴的一种理想方法。

图 2 PWM驱动 (顶部) 高效地控制 LED 电流 (底部)

图 2 PWM驱动 (顶部) 高效地控制 LED 电流 (底部)

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