LED照明知识(第三部分)：Boost和Buck-Boost时机

LED照明知识(第三部分)：Boost和Buck-Boost时机 2008年10月15日 在本系列的第一部分中，我们了解了LED光源及其驱动需求的基本知识。在第二部分中，我们讨论了当一个常电流Buck转换器可以被用作LED转换模式驱动的时候，为什么它能成为您的首选。在第三部分中，我们来研究大型LED显示及其在其它转换拓扑中的应用空间。 LED光源生产商和设计者经常会提到固态发光的应用最明显的优势就像是“树上挂得很低的水果”。例如花园路径照明或者MR16杯灯常常只需要一些甚至只要一个LED(图1)。对于低压照片来说，最通用的电压是12 VDC、24 VDC和12 VAC。这些应用常常要用到一个Bulk调节器。虽然如前所述，Bulk是首选，但是在LED照明应用中，随着LED数量的增加，Boost调节器也得到了越来越多的应用。设计者们不再满足于手电筒或者单个杯灯应用，而把目光投到大尺寸通用照明和达到几千流明的照明系统。例如街灯、公寓和商业照明、体育场照明和建筑内外装饰照明。 图1：带有Vo计算的Bulk和Boost LED驱动：buck: VO = n x VF, VO lt; VIN; boost: VO = n x VF, Vo gt; VIN。仍然需要常电流 如同线性和Buck衍生LED驱动一样，Boost LED驱动设计中的主要技术挑战是要给阵列中的每个LED提供一个可控前向电流IF。理想状态下，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相同。当需要把输入DC电压提升到一个高DC输出电压的时候，Boost调节器是最简单的选择，因为它允许在给定电压下串联更多的LED。通用照明系统设计者通常需要把线路电压设计成110 VAC 或者 220 VAC。如果功率因数校正（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）就可以使用AC电压的校正输出来直接驱动长串的串接LED。 然而，在很多情况下，我们需要使用一个中间DC总线电压，它是由一个采用了通用AC输入并且PFC、隔离和滤波的AC/DC调节器产生的。包括法律要求在内，一个低中间电压总线降低了电介质击穿和电弧问题，使维修人员的的工作更安全。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这样的安全标准电气规定限制了供给boost LED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UL Class 2 定为DC电压的最高值。 Boost挑战 不管我们是否要控制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转换器中的平均感应电流等于负载电流（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入电压的限制来保证电感的正确设计，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，最大平均值和电流峰值必须由VIN-MIN 和 VO-MAX同时求出。例如，历数加工、驱动电流和模具温度，一个标准的白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，并且要与所期望的LED波动电流保持一致。输出电容越小（同时也可以尽量降低成本和大小），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峻挑战是控制环。Buck调节器允许电压模式的PWM控制、峰值电流模式的PWM控制、constant/controlled on-time以及其它的滞后控制。注意到处于CCM的Boost调节器（低功率、便携设备除外）的右半平面零和在控制开关关闭的时候还在向输出供电的特性，它们几乎被限定在峰值电流模式PWM控制。要设计一个控制输出电流的Boost LED 驱动，控制环必须要把LED看作是负载来分析，这与Boost电压调节器的典型负载非常不同。在峰值电流模式控制中，负载阻抗对DC增益和控制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，然后用切线来找到希望的前向电流的斜率来决定。如图1所示，电流调节器使用负载本身来作为反馈分频器来闭环。这就使DC增益降低了(RSNS/ (RSNS + rD))倍。我们趋向于用一个简单的积分器牺牲稳定带宽来补偿Boost LED驱动。事实上是大多数或者说许多LED驱动应用需要调光。无论调光是通过IF 的线性调节(模拟调光)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挑战 照明用LED的开发要比固态光源标准的发展快得多。大量不同种类的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, 但是在这个应用中，他们没有优劣之分。如果一定要用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调节器的最基本的区别是Buck-boost从来没有把输入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入电压和输出电压的拐角，因为峰值转换电流发生在VIN-MIN 和 VO-MAX，但是峰值转换电压发生在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，使它在系统成本的角度来讲很吸引人。这种拓扑的一个缺点是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须要用一些转换器。像boost转换器，它们有一个不连续输出电流，并且需要一个输出电容来维持一个持续LED电流。功率MOSFET要承受一个峰值为IIN加上IF的电流还有一个峰值为VIN 加上 VO的电压。 图2：高端buck-boost (a); 低端buck-boost (b)。其它拓扑 SEPIC转换器拥有连续输入电流的优点，这个连续输入电流是由输入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维持一个平滑LED电流。另外一个SEPIC转换器的优点是几乎任何一个低端调节器或者控制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：SEPIC LED 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。输入和输出电流都是连续的。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转换器一样被消除。除Buck-boost 和boost 以外，Cuk是拥有这种能力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）和控制拓扑的选择不足，致使它们都不是转换LED驱动的首选。但是它们都是LED越来越多的照明应用必不可少的。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驱动来替代。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。 作者简介 Sameh Sarhan：加利福尼亚州圣克拉拉县，主要从事于中压/高压电源管理的应用工程师。从1998年开始，开始涉及电源电子。曾经在联邦无线电委员会和Vicor公司工作。工作经验包括设计软/硬开关电源，从几瓦到600瓦开关电源。Sameh1996年在开罗大学(埃及)电子工程系取得学士学位。 Chris Richardson：中压和高压的应用工程师。他的主要工作是划分任务，包括实验室工作、新ic评估、规格书的书写和应用注意事项等文档工作、培训现场工程师工作。2001年加入国家半导体以来，Chris工作的重点主要是同步控制器和调整器。在最近的3年，他主要是关注于高亮度LED在汽车和工业方面的应用。Chris拥有维吉尼亚工学院和州立大学的学士学位。下页为英文原文参考：A matter of light来源：美国国家半导体公司