隨著發(fā)光二極管(LED)生產(chǎn)成本下降，使用也越來越普遍，應(yīng)用范圍由手持裝置到汽車、建筑照明等領(lǐng)域。LED的可靠度高(使用壽命超過五萬小時)，效率佳(每瓦超過120流明)，并具有近乎實時反應(yīng)的特性，成為極具吸引力的光源。LED可在5奈秒的時間內(nèi)產(chǎn)生光，而白熱燈泡的反應(yīng)時間則是200毫秒，因此汽車工業(yè)已將LED運用于煞車燈上。本文將針對LED特性以及驅(qū)動LED的折沖情形進行介紹，深入探討適合LED驅(qū)動及調(diào)光的各種切換式電源拓?fù)?/strong>，并詳細說明相關(guān)優(yōu)點。

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圖1顯示三個基本電源拓?fù)涞睦?，第一張圖所顯示的降壓穩(wěn)壓器，可使用于輸出電壓永遠小于輸入電壓的情形。圖1中，降壓穩(wěn)壓器改變金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)的導(dǎo)通時間，以控制進入LED的電流?？稍竭^電阻測量電壓以進行電流偵測；電阻與LED為串聯(lián)狀態(tài)。驅(qū)動MOSFET是本方法在設(shè)計上的重大挑戰(zhàn)，如果從成本及效能的觀點來看，建議使用須要浮接閘極驅(qū)動的N信道FET。N信道FET須要使用驅(qū)動變壓器或是浮動驅(qū)動電路，兩者都可維持電壓高于輸入電壓。

 
圖1　供應(yīng)LED電力的簡易降壓及升壓拓?fù)?/p>

圖1也顯示替代的降壓穩(wěn)壓器(Buck #2)。在此電路中，MOSFET的驅(qū)動與接地有關(guān)，大幅降低了驅(qū)動電路的需求。本電路偵測LED電流的方法為監(jiān)控FET電流，或是與LED串聯(lián)的電流偵測電阻。如果采用后者，則須要使用位準(zhǔn)移位電路，將此信息送至接地電源，并將簡單的設(shè)計復(fù)雜化。同樣顯示于圖1中的升壓轉(zhuǎn)換器，則是在輸出電壓永遠大于輸入時使用。這種拓?fù)湓O(shè)計容易，因為MOSFET的驅(qū)動與接地有關(guān)，而電流偵測電阻也是屬于接地引用類型。此電路的缺點是在短路時，無法限制通過電感的電流，可以使用保險絲或電路斷路器，作為故障保護裝置。此外，還有一些較復(fù)雜的拓?fù)淇商峁┻@類保護。  

圖2顯示兩種降壓升壓電路，可在輸入電壓可能大于或小于輸出電壓的情形下使用。這些電路與前述兩種降壓拓?fù)溆邢嗤恼蹧_特點，與電流偵測電阻與門極驅(qū)動的位置有關(guān)。圖2的降壓升壓拓?fù)?，顯示接地參考的閘極驅(qū)動。此拓?fù)湫枰粶?zhǔn)移位電流偵測訊號，不過反向的升壓降壓拓?fù)鋭t具有接地參考的電流偵測及位準(zhǔn)移位閘極驅(qū)動。如果控制IC與負(fù)輸出有關(guān)，且電流偵測電阻與LED進行交換，即可利用有效的方式配置反向升壓降壓拓?fù)洹Ｖ灰m當(dāng)控制IC，即可直接測量輸出電流，也可以直接驅(qū)動MOSFET。

 
圖2　降壓升壓拓?fù)渲械妮斎腚妷?，可大于或小于輸出電?/p>

降壓升壓的拓?fù)浞绞诫娏飨鄬^高，舉例來說，如果輸入及輸出電壓相同，電感及電源開關(guān)電流是輸出電流的兩倍以上，這對效能及功率消耗會造成負(fù)面影響。圖3的「升壓或降壓」拓?fù)淇蓽p輕這些問題，在此電路中會有一個升壓功率級，之后則有一個降壓功率級。如果輸入電壓高于輸出電壓，升壓功率級就會提供電壓調(diào)節(jié)，而降壓功率級則只傳遞功率。如果輸入電壓低于輸出電壓，則降壓功率級提供電壓調(diào)節(jié)，升壓功率級傳遞功率。通常降壓及升壓的運作，會有一些重迭的時間，因此在變換模式時不會出現(xiàn)死區(qū)(Dead-band)。

 
圖3　降壓或升壓及SEPIC拓?fù)涮峁┹^高的效能
 

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如果輸入與輸出電壓幾乎相同，則此電路所擁有的有利條件，就是開關(guān)與電感電流幾乎等于輸出電流，電感鏈波電流也會有較少的傾向。即使此電路中有四個功率開關(guān)，通常仍有顯著的效能增進現(xiàn)象，這是電池應(yīng)用的關(guān)鍵所在。圖3所顯示的SEPIC拓?fù)渌璧腇ET較少，但是需要更多被動組件。SEPIC拓?fù)涞膬?yōu)勢，在于簡易的接地參考FET及控制電路。此外，雙通道電感可以結(jié)合為單耦合電感，節(jié)省面積與成本。不過和降壓升壓拓?fù)湟粯樱琒EPIC拓?fù)涞拈_關(guān)電流較「降壓或升壓」及脈沖輸出電流為高，需要能處理大量RMS電流的電容器。  

基于安全考慮，可能會規(guī)定在脫機電壓及輸出電壓之間進行隔離。此應(yīng)用方式下，最節(jié)省成本的解決方法就是使用返馳轉(zhuǎn)換器(圖4)，在所有的隔離拓?fù)渲校@種作法所需要的組件數(shù)量最少。變壓器匝數(shù)比可用來對輸出電壓進行降壓、升壓或降壓升壓，設(shè)計彈性很大，不過缺點在于電源變壓器基本上是訂制組件。此外，在FET以及輸入和輸出電容器中，也會有高組件應(yīng)力的情形出現(xiàn)。應(yīng)用固定燈光時，可以使用「慢速」的回饋控制循環(huán)，調(diào)節(jié)LED電流與輸入電壓同相位的情形，進行功率因子校正(PFC)。這樣可以調(diào)節(jié)所需的平均LED電流，并能調(diào)節(jié)輸入電流與輸入電壓同相位的情形，以提供高功率因子。

 
圖4　返馳拓?fù)淇梢蕴峁└綦x及功率因子校正

LED調(diào)光技術(shù)　藉PWM降低亮度較佳  

LED常須要調(diào)光，舉例來說，有時可能須要調(diào)整顯示亮度或是建筑照明。有兩種方式可以達到這個目標(biāo)，一是降低LED電流，二是快速開關(guān)LED讓肉眼平均其亮度。效果最差的方法就是降低電流，因為燈光輸出與電流之間并不是完全的線性關(guān)系。此外，LED的顏色光譜在電流低于最大額定值時，會有偏移的傾向。人類對亮度的察覺是一種指數(shù)關(guān)系，因此如果要調(diào)整亮度，可能須要大幅度改變電流，這對電路設(shè)計的影響甚大。因為在最大電流下3%的調(diào)節(jié)錯誤，可能會因為電路容忍度，在10%的負(fù)載時出現(xiàn)30%以上的錯誤。藉由脈沖寬度調(diào)變(PWM)影響電流而降低亮度，是比較正確的作法，不過仍然有反應(yīng)速度的問題。在照明或顯示時，須要使用100Hz以上的脈沖寬度調(diào)節(jié)，人類眼睛才不會察覺到閃爍的情形。10%的脈沖寬度是在毫秒范圍之中，因此電源供應(yīng)的帶寬需要大于10kHz。

針對不同LED應(yīng)用　各種電源拓?fù)鋺?yīng)運而生
 
如同表2所示，LED已廣泛運用于各領(lǐng)域，因此需要許多種類的電源拓?fù)?/strong>，支持LED的應(yīng)用。一般而言，必須考慮輸入電壓、輸出電壓及對隔離的需求，以做出適當(dāng)選擇。