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LED 驱动器的流行转换器拓扑
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2024年10月20日 19:23 23
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我们介绍了 LED 工作原理的基础知识以及如何将它们用于 LED 灯的设计。我们展示了直流和交流 LED 驱动器之间的差异以及设计人员通常考虑的主要因素。
本文介绍了使用更广泛的 LED 驱动器拓扑，并详细介绍了每一种拓扑。最终的比较表总结了所分析的拓扑之间的差异，并考虑了第一篇文章中已经介绍的主要设计因素。
降压和反向降压
图 1a。降压拓扑
|输入 电压| > |输出电压 |
驱动器由输入电压供电并驱动 PMOS。与 LED 负载串联的检测电阻会产生与负载电流成比例的电压 VFB，该电压用于向驱动器提供电流反馈。 PMOS 的栅极被驱动以获得 LED 负载所需的电流。
在该电路中，检测电阻器以地为参考，使得可以轻松地从驱动器测量电流反馈。
PMOS的源极端子直接连接到VIN，因此很容易驱动GND和VIN之间的栅极切换。
在存在高输入电压的交流应用中，PMOS 的栅极在开关周期期间无法驱动至 GND，因为 VSG 会非常高，远超过 MOSFET 的最大额定值（典型值 20V）。
因此，最好使用图 1b 的电路（反向降压），该电路是通过简单地将开关从输入的正极端子移动到负极端子而从降压衍生出来的。这样，可以使用 NMOS，其栅极可以由接地参考电路驱动，如下所示：
驱动器通过整流器从电桥输出获取电源，因此其 VDD 几乎为直流。它驱动 NMOS 的栅极，在此拓扑中，检测电阻器放置在 NMOS 的源极端子上，因此它仍然以地为参考。
需要注意的是，由于检测电阻与 NMOS 串联，因此在该电路中反馈是输入电流，而不是 LED 电流。这会导致更差的光通量调节，但允许驱动 NMOS，以便使平均输入电流与输入电压同相，从而获得高 PF（功率因数）。
AC-REVERSE-BUCK LED 驱动器的缺点是，考虑到电桥输出端的电压在每个周期内下降至 0V，该拓扑仅在 V IN >V OUT时工作，因此输入正弦波的某些部分为AC-REVERSE-BUCK 驱动器无法驱动输出 LED 灯串。为了最大限度地减少这种影响，通常使用 REVERSE-BUCK 来驱动电压 <50V 的 LED 灯串，因此正弦波中不驱动 LED 的部分可以忽略不计。
促进
升压拓扑产生高于输入电压的输出电压：
|输入 电压| <|输出电压|
此拓扑通常用于通过单个电池（即锂离子电池 3.7V）为多个 LED 串供电。电池电压低于 LED 灯串总电压，因此必须使用 DC Boost LED 驱动器：
在该电路中，NMOS 的栅极可以很容易地从驱动器驱动，检测电阻器以地为参考，驱动器可以直接从直流输入供电。满足简单驱动程序的所有基本要求，不存在任何“反向”版本。
升压拓扑通常不用于交流 LED 驱动器，因为 LED 灯串的输出电压通常低于交流输入电压。
降压-升压（逆变器）和反向降压-升压
当输入电压可以高于或低于输出电压时，可以使用降压-升压拓扑。根据输入电压的大小，它可以像降压或升压一样工作，这就是它被称为降压-升压的原因：
|V输入| > |输出电压 |或 |输入电压| <|输出电压|
该电路的特殊条件是输出电压为负，因此也称为逆变拓扑。事实上，输出电压为负在 LED 驱动器领域并不是一个重要问题，因为输出 LED 串始终可以根据驱动器输出极性进行连接。
对于降压-升压拓扑，还存在“反向”版本，即将开关从输入电压的正极端子移动到负极端子。
与降压拓扑类似，标准版本（图 10a）是直流 LED 驱动器的首选，但实际上并未使用它，因为它也会在检测电阻器上产生负电压，并且该负电压应从驱动器作为输出反馈。对于司机来说，负面反馈很难应对。
相反，“反向”版本对于交流 LED 驱动器非常有用，因为它允许在交流输入电压的整个周期内生成所需的输出电压。交流降压 LED 驱动器没有显示限制（驱动器无法驱动输出的正弦波周期部分）：
对于 AC-BUCK LED 驱动器，该电路能够进行 PFC（功率因数校正），因为感测电阻与 NMOS 串联，并且输入电流的反馈使得可以将平均输入电流整形为与输入电压。
反激式
在反激式拓扑中，设计人员可以根据项目规格配置电路以生成高于或低于输入电压的输出电压。
该电路分两个阶段工作。第一阶段，开关闭合，变压器初级绕组的电感LP充电。具有相反极性的次级绕组LS使二极管处于反向极化，在这种情况下，次级绕组中没有任何电流流动。在第二阶段，开关打开，之前存储在变压器中的能量必须被释放。因此，次级绕组使二极管正向导通。
输出电压可由开关的占空比和变压器的匝数比 NP/NS 确定。
由于反激式使用变压器，因此具有负载与输入电气隔离的独特功能。这通常是交流 LED 驱动器的一个重要特性，通常需要电气隔离：
在真实的反激原理图中，有一个与次级绕组具有相同极性的第三个绕组（称为 AUX 绕组）。它通常是低电压和低电流绕组，目的是在系统启动后为驱动器提供电源电压。电阻器 R STARTUP提供驱动器启动所需的低电流，直到 AUX 绕组通电为止。
本文介绍了使用更广泛的 LED 驱动器拓扑，并详细介绍了每一种拓扑。最终的比较表总结了所分析的拓扑之间的差异，并考虑了第一篇文章中已经介绍的主要设计因素。
降压和反向降压
BUCK 拓扑是最简单的。它产生的输出电压低于输入电压，也可以设计为“反向”版本：
图 1a。降压拓扑
反向降压拓扑
|输入 电压| > |输出电压 |
图 1a 的电路对于直流电压源（通常是电池）的 LED 驱动器来说非常流行。下图显示了采用直流电源的典型降压 LED 驱动器电路：
驱动器由输入电压供电并驱动 PMOS。与 LED 负载串联的检测电阻会产生与负载电流成比例的电压 VFB，该电压用于向驱动器提供电流反馈。 PMOS 的栅极被驱动以获得 LED 负载所需的电流。
在该电路中，检测电阻器以地为参考，使得可以轻松地从驱动器测量电流反馈。
PMOS的源极端子直接连接到VIN，因此很容易驱动GND和VIN之间的栅极切换。
在存在高输入电压的交流应用中，PMOS 的栅极在开关周期期间无法驱动至 GND，因为 VSG 会非常高，远超过 MOSFET 的最大额定值（典型值 20V）。
因此，最好使用图 1b 的电路（反向降压），该电路是通过简单地将开关从输入的正极端子移动到负极端子而从降压衍生出来的。这样，可以使用 NMOS，其栅极可以由接地参考电路驱动，如下所示：
交流反向降压 LED 驱动器
驱动器通过整流器从电桥输出获取电源，因此其 VDD 几乎为直流。它驱动 NMOS 的栅极，在此拓扑中，检测电阻器放置在 NMOS 的源极端子上，因此它仍然以地为参考。
需要注意的是，由于检测电阻与 NMOS 串联，因此在该电路中反馈是输入电流，而不是 LED 电流。这会导致更差的光通量调节，但允许驱动 NMOS，以便使平均输入电流与输入电压同相，从而获得高 PF（功率因数）。
AC-REVERSE-BUCK LED 驱动器的缺点是，考虑到电桥输出端的电压在每个周期内下降至 0V，该拓扑仅在 V IN >V OUT时工作，因此输入正弦波的某些部分为AC-REVERSE-BUCK 驱动器无法驱动输出 LED 灯串。为了最大限度地减少这种影响，通常使用 REVERSE-BUCK 来驱动电压 <50V 的 LED 灯串，因此正弦波中不驱动 LED 的部分可以忽略不计。
促进
升压拓扑产生高于输入电压的输出电压：
升压拓扑
|输入 电压| <|输出电压|
此拓扑通常用于通过单个电池（即锂离子电池 3.7V）为多个 LED 串供电。电池电压低于 LED 灯串总电压，因此必须使用 DC Boost LED 驱动器：
直流升压 LED 驱动器
在该电路中，NMOS 的栅极可以很容易地从驱动器驱动，检测电阻器以地为参考，驱动器可以直接从直流输入供电。满足简单驱动程序的所有基本要求，不存在任何“反向”版本。
升压拓扑通常不用于交流 LED 驱动器，因为 LED 灯串的输出电压通常低于交流输入电压。
降压-升压（逆变器）和反向降压-升压
当输入电压可以高于或低于输出电压时，可以使用降压-升压拓扑。根据输入电压的大小，它可以像降压或升压一样工作，这就是它被称为降压-升压的原因：
降压-升压拓扑
反向降压升压拓扑
|V输入| > |输出电压 |或 |输入电压| <|输出电压|
该电路的特殊条件是输出电压为负，因此也称为逆变拓扑。事实上，输出电压为负在 LED 驱动器领域并不是一个重要问题，因为输出 LED 串始终可以根据驱动器输出极性进行连接。
对于降压-升压拓扑，还存在“反向”版本，即将开关从输入电压的正极端子移动到负极端子。
与降压拓扑类似，标准版本（图 10a）是直流 LED 驱动器的首选，但实际上并未使用它，因为它也会在检测电阻器上产生负电压，并且该负电压应从驱动器作为输出反馈。对于司机来说，负面反馈很难应对。
相反，“反向”版本对于交流 LED 驱动器非常有用，因为它允许在交流输入电压的整个周期内生成所需的输出电压。交流降压 LED 驱动器没有显示限制（驱动器无法驱动输出的正弦波周期部分）：
交流反向降压升压 LED 驱动器
对于 AC-BUCK LED 驱动器，该电路能够进行 PFC（功率因数校正），因为感测电阻与 NMOS 串联，并且输入电流的反馈使得可以将平均输入电流整形为与输入电压。
反激式
在反激式拓扑中，设计人员可以根据项目规格配置电路以生成高于或低于输入电压的输出电压。
基本的 FLYBACK 拓扑可以被认为是通过用变压器替换电感器而衍生自 Boost：
该电路分两个阶段工作。第一阶段，开关闭合，变压器初级绕组的电感LP充电。具有相反极性的次级绕组LS使二极管处于反向极化，在这种情况下，次级绕组中没有任何电流流动。在第二阶段，开关打开，之前存储在变压器中的能量必须被释放。因此，次级绕组使二极管正向导通。
输出电压可由开关的占空比和变压器的匝数比 NP/NS 确定。
由于反激式使用变压器，因此具有负载与输入电气隔离的独特功能。这通常是交流 LED 驱动器的一个重要特性，通常需要电气隔离：
交流反激式 LED 驱动器
在真实的反激原理图中，有一个与次级绕组具有相同极性的第三个绕组（称为 AUX 绕组）。它通常是低电压和低电流绕组，目的是在系统启动后为驱动器提供电源电压。电阻器 R STARTUP提供驱动器启动所需的低电流，直到 AUX 绕组通电为止。
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