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LED开关电源输出端是否采用电容器?

LED开关电源输出端是否采用电容器?

点击数:7682 次   录入时间:03-04 11:49:09   整理:http://www.55dianzi.com   开关电源技术

  目前市场上有许多采用开关稳流器的全新恒流电源供应系统可供选择,但其中可以采用基本型号降压转换器的设计方案最为理想。降压转换器基本上是一种设计简单的直流/直流转换器,可以轻易组建成为恒流电源供应器,这是采用降压转换器的最充分理由。下面将会讨论如何设计一款利用恒定电流驱动高亮度LED的降压稳流器,文中会解释如何挑选输出电容器,也会讨论在什么情况下弃之不用。

  1.受控电流
  
  降压稳流器(见下图)是最理想的恒流驱动器,因为输出电感器与负载串联一起。无论降压稳流器用作电压源还是电流源,选择适当的电感成为系统设计的成败关键。只要电感器与输出端串联一起,电感器的平均电流必定相等于输出平均电流,而降压转换器顺理成章便可轻易将交流电纹波的波幅置于控制之下。从定义上来说,LED驱动其基本上是个恒定负载系统,因此无需为保持负载瞬态期间的输出电压(UO)稳定而预留大量输出电容。

降压稳流器

  2.摒弃输出电容器可提高输出阻抗

    理论上,理想电流源的输出阻抗是无限大,其典型的好处是可以在极快的速度下进行转换,以确保电流恒定。对于较为重视稳压的开关调节器设计工程师来说,这个想法未必可以一时间接受。降压稳流器如果不再内置输出电容,输出阻抗的大小便完全由所采用的电感器决定。若完全没有任何输出电容制止输出电压波动,输出电流(称为正向电流IF)的转换率便会完全取决于电感、输入电压及输出电压(输出电压值Uo等于每一串联发光二极管正向电压UF的总和)。

  LED生产商一般都主张纹波电流(AIF)应介于直流电正向电流的土5%~±20%之间。以开关稳流器的典型频率范围(50kHz~2MHz)为例来说,上述的纹波处于人类肉眼的可视光谱范围之外。可视范围受到限制的原因是纹波电流越高,热能损耗便越大(这是LED半导体PN接面的特性),另一原因是采用的电感器也有其实际上的局限。上述的纹波百分率与降压稳流器规定的电流纹波率大致相同。因此,要为固定频率稳流器(形式见下图)挑选电感器,便需考虑以下公式内的有关因素,其实要考虑的因素与挑选稳压器并无分别,为

固定频率稳流器

  但其中有一点不同,那就是没有输出电容器的稳流器大致上都有较高的电感,因为1、3W及5W等新一代标准高亮度LED的驱动电流分别高达350mA、700mA及1A。新一代降压稳压器一般都采用电感值介于0.1μH与lOμH之间的电感器,饱和电流则介于5~50A之间。开关频率大致相同的电流驱动器一般都需采用电感值介于lOμH与lOOOμH之间的电感器,饱和电流则必须介于0.5~5A之间。

  提高输出阻抗的主要目的是要确保相关系统可以对PWM调光信号有较快的响应,而PWM控制方式是控制发光二极管灯光输出的较好方法。调光信号可以输入稳流器的允许引脚,信号一旦输入,输出电流便由零上升至要求的水平,然后再下降至零。由于没有输出电容(Co),因此不会因为充电及放电而出现延迟。若要实现更高速、更高分辨度的调光,可将并联开关(一般采用MOSFFT)与串联发光二极管并行连接,这样便可确保在任何时间都能不停输出电流(见下图)。此外,由于没有输出电容器减慢转换速度,调光频率甚至可以低至几十kHz。对于部分应用来说,例如平板显示器背光系统以及利用多个串联在一起的红绿蓝(RGB) LED发出白光的灯光系统,较低的调光频率非常重要。

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  3.采用输出电容器可以缩小方案体积,节省系统成本
  
  少量的输出电容可以滤除交流电的纹波。以照明系统的装饰翻新工程为例,若以I.ED取代钨丝灯及石英灯,LED及驱动器便必须置于旧灯泡原有的极小空间之内。电感器肯定是仅次于LED的最大而又最昂贵的元件之一。为了提高效率(对于狭小的室内环境这点尤其重要),设计工程师一般会采用最低的开关频率,以便有关的方案(主要是电感器)可以装入狭小的空间之内。若允许较大的纹波电流流入电感器,而将LED电流的纹波滤除,便可缩小解决方案的体积,降低系统成本。以sOokHz的操作频率为例来说,若利用12V输入电压驱动一个白色LED(UF=3.SV),而驱动电流为1A,纹波电流(△IF)则为±5%,那么这样的驱动系统必须采用额定电流为1.1A的50μH电感器。适用的典型磁心内核元件大小可能达lOmmXlOmm,而且厚达4.5mm。

  相比较之下,若允许电感器纹波电流提高至±30%(这是低点稳流器的典型纹波值),电感便无需超过lOμH,这样便可以采用大小只有6mmX6mm、而厚度只有2.8mm的电感器。所需的输出电容可以根据LED的动态电阻(rD)、传感电阻(Rsvs)以及采用的开关频率所产生的电容器阻抗等数值计算出来。有关的计算公式为

  输出电容器的典型电容值介于0.1NlOμF之间,采用陶瓷电容器最适合不过。许多应用因为加设了输出电容器,所以体积可以进一步缩小,而系统成本则得以削减。

  4.输出电容器的摆放位置
  
  对于采用PWM模式(如电压模式及电流模式)进行控制的降压稳流器来说,输出电容器应置于稳流器输出与系统接地之间,与标准降压、稳压系统设计的电容器位置完全相同[见图2-14(a)]。这个设计的好处是我们分析系统的控制/输出传递函数时,可以利用分析稳流器设计时所采用的同一公式进行分析。若利用比较器执行控制功能,例如迟滞方式或固定导通时间方式,输出电容器便应该与串联I。ED并行连接一起[见图2-14(b)]。迟滞式稳流器电路一般都会采用这种技术,以便提高反馈节点的同相位电压纹波百分率。另一方面也可在开关比较器的输入端强行将输出电容器(Co)内的纹波电流及I。ED内的正向电流加在一起,令电感电阻(Rsrs)的电压波形与开关节点波形保持同相位,确保系统响应可以较为准确的预测,而噪声抑制能力也可进一步提高。由于迟滞式及固定导通时间式的稳流器都有低输出电容及高电感电流纹波等特性,因此该稳压器更稳定可靠,更容易融入系统设计。

  高亮度、高功率LED彻底改变了自钨丝灯泡面世以来便一直采用的传统照明技术。这些传统的照明系统必须改用崭新而较为复杂的电路设计,才可充分利用LED的优点。目前许多采用钨丝灯泡、石英灯及霓虹光管的照明系统都会全面翻新,改用LED。这类照明系统极少采用先进的调光技术,体积小巧反而更为重要。加设了输出电容器的驱动电路正好适用于这类照明系统。

  对于一般的照明系统来说,采用LED当然会使成本增加,但展望将来,灯光的亮度、色调及色彩如果可以通过控制系统产生较多的变化,即使成本上升,也是值得的。

  居家以及办公地方的照明系统必须采用PWM调光技术,以便能够快速调校光暗,这便需要采用电流驱动器,以减低或甚至消除输出电容。这类照明系统可以充分利用无输出电容器的新一代快速调光系统,以便照明系统可以适应最快的响应。




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