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LED 驱动器的常见转换器拓扑
接线图
2024年10月20日 22:26 177
admin
我们介绍了 LED 的工作原理以及它们在 LED 灯设计中的应用。我们展示了直流和交流 LED 驱动器之间的差异以及设计师通常考虑的主要因素。
本文介绍了应用最为广泛的 LED 驱动器拓扑，并详细介绍了每种拓扑。最后的比较表总结了所分析拓扑之间的差异，并考虑到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. BUCK 拓扑
反向降压拓扑
图 1b. 反向降压拓扑
| 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。驱动 PMOS 的栅极以获得 LED 负载所需的电流。
在此电路中，检测电阻以地为参考，使得从驱动器测量电流反馈变得简单。PMOS
的源极端子直接连接到 VIN，因此很容易驱动栅极在 GND 和 VIN 之间切换。
在交流应用中，输入电压较高，因此在开关周期内，PMOS 的栅极无法驱动至 GND，因为 VSG 会非常高，远高于 MOSFET 的最大额定值（典型值 20V）。
因此，最好使用图 1b 中的电路，即反向降压电路，该电路由降压电路衍生而来，只需将开关从输入的正极移至负极即可。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，因此它仍以地为参考。
值得注意的是，由于检测电阻与 NMOS 串联，因此在此电路中反馈的是输入电流，而不是 LED 电流。这会导致光通量调节效果变差，但可以驱动 NMOS，以便将平均输入电流整形为与输入电压同相，从而获得高 PF（功率因数）。
AC-REVERSE-BUCK LED 驱动器的一个缺点是，考虑到桥输出端的电压在每个周期内都会降至 0V，这种拓扑结构仅在 V IN >V OUT时才有效，因此在输入正弦波的某些部分，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 LED 未驱动的正弦波部分可以忽略不计。
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|
这种拓扑通常用于从单个电池（即锂离子电池 3.7V）为多个 LED 灯串供电。电池电压低于 LED 灯串总电压，因此必须使用 DC Boost LED 驱动器：
在此电路中，NMOS 的栅极可轻松由驱动器驱动，感测电阻以地为参考，驱动器可直接由直流输入供电。满足了简单驱动器的所有基本要求，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，使用降压-升压拓扑。它能够根据输入电压的大小像降压或升压一样工作，这就是它被称为降压-升压的原因：
反向降压升压拓扑
图 6b. 反向降压-升压拓扑
|V IN | > | V OUT | 或 | V IN | < | V OUT |
该电路有一个特殊情况，即输出电压为负，因此也称为逆变器拓扑。输出电压为负这一事实在 LED 驱动器领域并不是什么重要问题，因为输出 LED 串始终可以按照驱动器输出极性进行连接。
对于降压-升压拓扑结构，也存在“反向”版本，即将开关从输入电压的正极移至负极。
与降压拓扑类似，标准版本（图 10a）是直流 LED 驱动器的首选，但在实践中，它并不被使用，因为它也会在检测电阻上产生负电压，并且该负电压应从驱动器读取作为输出反馈。对于驱动器来说，使用负反馈会很困难。
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 驱动器没有显示的限制（正弦波周期中驱动器无法驱动输出的部分）：
对于 AC-BUCK LED 驱动器，该电路能够实现 PFC（功率因数校正），因为传感电阻与 NMOS 串联，并且输入电流的反馈使得能够使平均输入电流与输入电压同相。
飞回来
在反激式拓扑结构中，设计人员可以根据项目规格配置电路以产生高于或低于输入电压的输出电压。
该电路分两个阶段工作。在第一阶段，开关闭合，变压器初级绕组的电感LP充电。次级绕组LS具有相反的极性，使二极管处于反向极化状态，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，必须释放变压器中先前存储的能量。因此，次级绕组使二极管处于正向传导状态。
输出电压可由开关的占空比和变压器的匝数比NP/NS决定。
由于反激式转换器使用变压器，因此它具有负载与输入电气隔离的独特特性。这通常是交流 LED 驱动器的一个重要特性，因为通常需要电气隔离：
在实际的反激式原理图中，有一个第三绕组（称为 AUX 绕组），其极性与次级绕组相同。它通常是低压和低电流绕组，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。
此外，反激式还可以使 PFC 像前面说明的交流 LED 驱动器一样。
本文介绍了应用最为广泛的 LED 驱动器拓扑，并详细介绍了每种拓扑。最后的比较表总结了所分析拓扑之间的差异，并考虑到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 拓扑结构最简单。它产生的输出电压低于输入电压，也可以设计成“反向”版本：
图 1a. BUCK 拓扑
反向降压拓扑
图 1b. 反向降压拓扑
| 输入电压| > |输出电压 |
图 1a 中的电路对于采用直流电压源（通常是电池）的 LED 驱动器非常流行。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。驱动 PMOS 的栅极以获得 LED 负载所需的电流。
在此电路中，检测电阻以地为参考，使得从驱动器测量电流反馈变得简单。PMOS
的源极端子直接连接到 VIN，因此很容易驱动栅极在 GND 和 VIN 之间切换。
在交流应用中，输入电压较高，因此在开关周期内，PMOS 的栅极无法驱动至 GND，因为 VSG 会非常高，远高于 MOSFET 的最大额定值（典型值 20V）。
因此，最好使用图 1b 中的电路，即反向降压电路，该电路由降压电路衍生而来，只需将开关从输入的正极移至负极即可。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：
AC-REVERSE-BUCK LED 驱动器
驱动器通过整流器从桥输出获取电源，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，因此它仍以地为参考。
值得注意的是，由于检测电阻与 NMOS 串联，因此在此电路中反馈的是输入电流，而不是 LED 电流。这会导致光通量调节效果变差，但可以驱动 NMOS，以便将平均输入电流整形为与输入电压同相，从而获得高 PF（功率因数）。
AC-REVERSE-BUCK LED 驱动器的一个缺点是，考虑到桥输出端的电压在每个周期内都会降至 0V，这种拓扑结构仅在 V IN >V OUT时才有效，因此在输入正弦波的某些部分，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 LED 未驱动的正弦波部分可以忽略不计。
促进
升压拓扑产生高于输入电压的输出电压：
BOOST 拓扑
|输入 电压| < |输出电压|
这种拓扑通常用于从单个电池（即锂离子电池 3.7V）为多个 LED 灯串供电。电池电压低于 LED 灯串总电压，因此必须使用 DC Boost LED 驱动器：
DC-BOOST LED 驱动器
在此电路中，NMOS 的栅极可轻松由驱动器驱动，感测电阻以地为参考，驱动器可直接由直流输入供电。满足了简单驱动器的所有基本要求，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，使用降压-升压拓扑。它能够根据输入电压的大小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
图 6b. 反向降压-升压拓扑
|V IN | > | V OUT | 或 | V IN | < | V OUT |
该电路有一个特殊情况，即输出电压为负，因此也称为逆变器拓扑。输出电压为负这一事实在 LED 驱动器领域并不是什么重要问题，因为输出 LED 串始终可以按照驱动器输出极性进行连接。
对于降压-升压拓扑结构，也存在“反向”版本，即将开关从输入电压的正极移至负极。
与降压拓扑类似，标准版本（图 10a）是直流 LED 驱动器的首选，但在实践中，它并不被使用，因为它也会在检测电阻上产生负电压，并且该负电压应从驱动器读取作为输出反馈。对于驱动器来说，使用负反馈会很困难。
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 驱动器没有显示的限制（正弦波周期中驱动器无法驱动输出的部分）：
交流-反向-降压-升压 LED 驱动器
对于 AC-BUCK LED 驱动器，该电路能够实现 PFC（功率因数校正），因为传感电阻与 NMOS 串联，并且输入电流的反馈使得能够使平均输入电流与输入电压同相。
飞回来
在反激式拓扑结构中，设计人员可以根据项目规格配置电路以产生高于或低于输入电压的输出电压。
基本的反激式拓扑可以看作是从升压拓扑衍生而来，通过用变压器代替电感器：
该电路分两个阶段工作。在第一阶段，开关闭合，变压器初级绕组的电感LP充电。次级绕组LS具有相反的极性，使二极管处于反向极化状态，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，必须释放变压器中先前存储的能量。因此，次级绕组使二极管处于正向传导状态。
输出电压可由开关的占空比和变压器的匝数比NP/NS决定。
由于反激式转换器使用变压器，因此它具有负载与输入电气隔离的独特特性。这通常是交流 LED 驱动器的一个重要特性，因为通常需要电气隔离：
AC-FLYBACK LED 驱动器
在实际的反激式原理图中，有一个第三绕组（称为 AUX 绕组），其极性与次级绕组相同。它通常是低压和低电流绕组，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。
此外，反激式还可以使 PFC 像前面说明的交流 LED 驱动器一样。
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