作為鹵素燈低壓照明的一種替換技術，LED照明日益流行。與鹵素燈泡不同的是，LED沒有效率低、可靠性差以及使用壽命短等題目的困擾。本文描述了一種在直流照明系統中驅動大功率LED的新方法，這種解決方案能提供95%的效率、更長的使用壽命，并能承受更高的電氣和機械沖擊。

在圖1所示的電路中，ZXSC300系列DC-DC控制器驅動以降壓模式工作的外部開關。表1列出了12V電源系統的材料清單。通過增加R2的值可提供更高的系統電壓，例如，要得到24V的電壓僅需將R2值改為2.2kΩ，同時電容C1也須有更高的額定電壓，電路基本工作原理如下：

當Q1導通時，電流流過LED、電容C2和電感。當R1兩真?zhèn)€壓降達到Isense引腳的閾值電壓時，Q1關斷并保持一個固定時間，電感中的能量流過D1和LED。經過這個固定時間后，Q1重新導通，如此循環(huán)往復。

下面對電路的工作原理進行更具體地分析，以得到電路參數及與系統設計相關的計算。下面從開關Q1在一個固定時間TON內導通開始分析。ZXSC310將Q1導通直至它在Isense引腳上檢測到19mV電壓(標稱值)，于是達到此閾值電壓時Q1上的電流為19mV/R1，稱為IPEAK。

當Q1導通，電流從電源流出，流過C1和串聯LED。假設LED正向壓降為VF，則剩下的電源電壓將全部落在L1上，稱為VL1，并使L1上的電流以di/dt=VL1/L1的斜率上升。其中di/dt單位為安培/秒、VL1的單位為伏、L1的單位為亨。

Q1 與 R1上的壓降忽略不計，由于Q1的導通電阻RDS(ON)很小，且R1上的壓降總是小于19mV。19mV是Q1的關斷閾值電壓，依據Isense引腳的閾值電壓設置。

VIN=VF+VL1

TON=IPEAKxL1/ VL1

　由于將VIN減往LED正向壓降可得到L1兩真?zhèn)€電壓，故可算出TON。因此，假如L1較小，則對于同樣的峰值電流IPEAK及電源電壓VIN，TON 亦較小。請留意，在電感電流上升到IPEAK的過程中，電流流過LED，因此LED上的均勻電流即是TON上升期間及TOFF下降期間的電流之和。

現在看一下Q1關斷期間(TOFF)的情況。ZXSC300系列DC-DC控制器的TOFF在內部被固定為1.7us(標稱值)，需要留意的是，假如用該值來計算電流斜坡，則其范圍最小為1.2μs，最大為3.2μs。

為盡量減少傳導損耗及開關損耗，TON不能比TOFF小太多。過高的開關頻率會造成較高的dv/dt，因此建議ZXSC300和310的最高工作頻率為200 kHz。假設固定TOFF為1.7μs，則TON最小值為5μs-1.7μs=3.3μs。然而這不是一個盡對限制值，這些器件已可在2至3倍該頻率下工作，但轉換效率會降低。

在TOFF期間，儲存在電感中的能量將被轉移到LED，只在肖特基二極管上有一些損耗。儲存在電感中的能量為：

EQ1

系統可以以連續(xù)或非連續(xù)模式工作，兩者之間的差別及對均勻電流的影響將在后面部分中解釋。

假如TOFF恰好是電流達到零所需的時間，則LED中的均勻電流將為IPEAK/2。實際上，電流可能會在TOFF之前達到零，此時均勻電流將小于IPEAK/2，由于在這個周期里有一段時間LED的電流為零，這稱為“非連續(xù)”工作模式。

假如經過1.7μs后電流沒有達到零，而是下降到IMIN，則稱器件進進“連續(xù)”工作模式。LED電流將在IMIN與IPEAK之間上升和下降(di/dt斜率可能不同)，此時均勻LED電流為IMIN與IPEAK的均勻值。

　　通過用實際值進行計算，上面的原理可運用于實際電路設計。例如，已知輸出電壓穩(wěn)定的12V直流電源以及3個功率為1W的LED(需要340mA工作電流)，即可參考圖1所示的電路及表1列出的材料清單進行設計。該設計可工作在11V至18V電源電壓范圍內。

電源輸進電壓=VIN=12V，LED正向壓降=VF=9.6V，VIN =VF+VL1。因此，VL1=12V-9.6V=2.4V。

峰值電流=Vsense/R1=34mV/50m(=680mA，這里R1就是Rsense。

TON=IPEAKxL1/VL1

在上述等式中，近似以為在整個電流上升與下降期間LED正向壓降不變。事實上它會隨電流升高而增大，但這些公式使設計計算的結果在實際電路所用器件的容差范圍內。此外，VIN與VF之間的差值小于它們中的任何一個，所以6.2μs的上升時間將基本上取決于這些電壓值。

值得留意的是，對于9.6V的LED正向壓降以及300mV的肖特基二極管正向壓降來說，從680mA下降到零的時間為：

由于TOFF一般為1.7μs，所以電流有足夠的時間降到零。然而，盡管1.5μs已相當接近1.7μs，由于器件的容差，線圈電流可能不能降到零。但這不是什么大題目，由于殘余電流會很小。需要留意的是，由于對峰值電流的丈量及關斷，不可能產生在具有固定TON時間的轉換器里發(fā)生的危險的“電感階躍”(inductor staircasing)題目。由于電流可能永遠都不會超過IPEAK，所以即使電流從一個有限值開始增長(即連續(xù)模式)，也不會超過IPEAK，于是LED電流將近似即是680mA與0的均勻值，即340mA。它并不是嚴格意義上的均勻值，由于有200ns的時間里電流為零，但與IPEAK及器件容差相比這非常小。

圖2與圖3分別描述了12V與24V系統的性能。

電路設計計算

在TON期間(假設為非連續(xù)工作模式)，電源的輸進功率即是VIN×IPEAK/2，因而電源的均勻輸進電流即是該電流乘以TON相對于整個周期時間的比值。

從上式可看出均勻電源電流是如何在較低電壓下隨著TON相對于固定的1.7μs的增加增大。這是符合功率原理的，由于當電源電壓較低時，固定(或近似固定)的LED功率需要更多電源電流才能獲得相同功率。

因此，當輸進電壓與輸出電壓的差別變得更大時，從電感轉移到LED的能量比LED直接從電源獲取的能量要更多些。假如能計算出使電流正好在1.7μs時達到零的電感值L1及峰值電流IPEAK，則LED的功率將不會太依靠于電源電壓，由于此時LED中的均勻電流總是近似為IPEAK/2。

隨著電源電壓的增加，達到IPEAK所需的TON將減小，但LED的功率基本恒定，且在TON期間只吸取從零至IPEAK的電源電流。電源電壓越高，TON占整個周期的比例越小，所以較高電源電壓時的均勻電源電流亦較小，這樣保持了功率(和效率)的恒定。

肖特基二極管正向壓降會使效率降低。例如，假設LED的VF為6V，肖特基二極管的VF為0.3V，則從電感轉移過來的能量的效率損失為5%，即肖特基二極管正向壓降與LED正向壓降之比。在TON期間，肖特基二極管不在電流回路中，故不會引進損耗，因此整個效率損失比取決于TON與TOFF之比。對于TON占整個周期的大部分的低電源電壓來說，由肖特基二極管引進的損耗并不大。當LED電壓較高(多個LED串聯)時，肖特基二極管引進的損耗也不大，由于此時肖特基二極管正向壓降在整個壓降所占的比例將更小。

本文小結

本文的電路設計顯示了如何在鹵素燈泡替換應用中使用高效率電路驅動LED。盡管LED擁有比鹵素燈泡更高的初始本錢，但總本錢比鹵素燈泡低或者相當。在一些很難進行替換或替換用度昂貴的應用中，LED可能是唯一的具有本錢效益的解決方案。隨著LED照明輸出效率逐步進步以及本錢降低，使用LED照明的趨勢將會更加明顯。