目前可提供高亮度LED，其正向電流比前代產(chǎn)品高100倍以上。這些新設(shè)備不僅具有高亮度，而且還具有高功率?，F(xiàn)在可提供功耗超過25 W的單芯片，功耗超過25 W的單芯片。高效率和低功耗的要求決定了新一代高亮度（HB），高功率（HP）LED的開關(guān)電源，因為電壓調(diào)節(jié)器和限流電阻不再適用。高亮度，高功率LED需要恒流源，以充分利用其不斷提高的發(fā)光效率和鮮艷純凈的色彩。這種新型開關(guān)恒流源的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是基本降壓轉(zhuǎn)換器。使用降壓轉(zhuǎn)換器的最有說服力的理由是這種簡單的DC/DC轉(zhuǎn)換器可以很容易地變成恒流源。本文將解釋在設(shè)計用于HB LED恒流驅(qū)動的降壓穩(wěn)壓器時輸出電容的選擇或可能的排除。

圖1：傳統(tǒng)降壓穩(wěn)壓器（左）和降壓電流調(diào)節(jié)器（右）。

受控電流

降壓調(diào)節(jié)器非常適合作為恒流驅(qū)動器，因為輸出電感與負(fù)載串聯(lián)。無論降壓調(diào)節(jié)器是用作電壓源還是電流源，電感器的選擇都是系統(tǒng)設(shè)計的基石。電感與輸出串聯(lián)時，平均電感電流始終等于平均輸出電流，降壓轉(zhuǎn)換器自然保持對交流電流紋波的控制。根據(jù)定義，LED驅(qū)動器是恒定負(fù)載系統(tǒng);因此，在負(fù)載瞬變期間不需要大量的輸出電容來維持VO。

無輸出電容會產(chǎn)生高輸出阻抗

理論上，理想的電流源具有無限的輸出阻抗，允許電壓無限快速地轉(zhuǎn)換為為了保持恒定的電流。對于專注于穩(wěn)壓器的開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計人員來說，這個概念可能需要一些時間才能吸收。完全從降壓穩(wěn)壓器中移除輸出電容會迫使輸出阻抗取決于電感。沒有任何電容來抵抗VO的變化，輸出電流（稱為正向電流或IF）的壓擺率完全取決于電感，輸入電壓和輸出電壓。 （VO等于每個串聯(lián)LED的組合正向電壓VF）

LED制造商通常建議紋波電流ΔIF為直流正向電流的±5％至±20％。在50 kHz至2 MHz的典型開關(guān)穩(wěn)壓器頻率范圍內(nèi)，人眼看不到紋波本身。這些限制來自于較高紋波電流（LED半導(dǎo)體PN結(jié)本身的特性）下的熱損耗增加以及對所用電感的實際限制。百分比類似于降壓穩(wěn)壓器中推薦的電流紋波比。因此，固定頻率電流調(diào)節(jié)器的電感選擇由與電壓調(diào)節(jié)器相同的等式控制：

一個區(qū)別是用于沒有輸出電容的電流調(diào)節(jié)器的電感往往更高因為新興標(biāo)準(zhǔn)1 W，3 W和5 W HB LED的驅(qū)動電流分別為350 mA，700 mA和1 A.現(xiàn)代降壓穩(wěn)壓器傾向于使用0.1μH至10μH范圍內(nèi)的電感，飽和電流范圍為5 A至50 A.類似開關(guān)頻率的電流驅(qū)動器往往需要10μH至1000μH范圍內(nèi)的電感器和0.5范圍內(nèi)的飽和電流。 A至5 A.

高輸出阻抗的主要目標(biāo)是創(chuàng)建一個能夠響應(yīng)PWM調(diào)光信號的系統(tǒng)，這是控制LED光輸出的首選方法。可以施加調(diào)光信號以啟用調(diào)節(jié)器的引腳，在這種情況下，輸出電流可以從零轉(zhuǎn)換到目標(biāo)并且回到零而沒有CO的充電和放電延遲。為了實現(xiàn)更快，更高分辨率的調(diào)光，可以將分流開關(guān)（通常是MOSFET）與LED陣列并聯(lián)放置，從而始終保持連續(xù)的電流流動。同樣，如果沒有輸出電容來降低壓擺率，則可以將調(diào)光頻率調(diào)整為10 kHz。這是平板顯示器背光和使用RGB陣列創(chuàng)建白光等應(yīng)用的關(guān)鍵要求。

圖2：使用并聯(lián)NFET進(jìn)行調(diào)光。

使用輸出電容可減小尺寸和成本

有些輸出電容可用作交流電流濾波器。諸如改造白熾燈和鹵素?zé)糁惖膽?yīng)用通常要求將LED和驅(qū)動器放置在以前由燈泡占據(jù)的小空間中。電感器總是LED本身之后最大，最昂貴的元件。為了提高效率（在狹窄的空間中尤為重要），設(shè)計人員通常選擇最低的開關(guān)頻率，以便能夠安裝解決方案（主要是電感器）。允許電感器中的大紋波電流和濾波LED電流導(dǎo)致更小，更便宜的解決方案。例如，要驅(qū)動單個白光LED（VF≈3.5V）為1A，紋波電流ΔIF為±5％，輸入為12V，500 kHz，則需要50μH電感，額定電流為1.1A。適合此應(yīng)用的典型鐵氧體磁芯設(shè)備可能是10平方毫米，高4.5毫米。相反，如果允許電感紋波電流增加到±30％（典型的低電流電壓調(diào)節(jié)器），則所需的電感小于10μH，電感器的尺寸為6.0 mm，高度僅為2.8 mm可以使用。所需的輸出電容基于LED的動態(tài)電阻rD，感測電阻，RSNS以及開關(guān)頻率下電容器的阻抗來計算，使用以下表達(dá)式：

典型值輸出電容的值范圍為0.1μF至10μF，非常適合陶瓷電容器。在許多應(yīng)用中，增加一個輸出電容可以減小整個解決方案的尺寸和成本。

輸出電容放置

對于使用基于PWM的控制的降壓調(diào)節(jié)器，例如電壓模式（VM）和電流模式（CM）輸出電容應(yīng)從穩(wěn)壓器輸出連接到系統(tǒng)地，與普通降壓穩(wěn)壓器相同。 （圖3a）這樣，系統(tǒng)的控制 - 輸出傳遞函數(shù)可以用設(shè)計電壓調(diào)節(jié)器時使用的相同方程進(jìn)行分析。當(dāng)使用基于比較器的控制時，例如遲滯或恒定導(dǎo)通時間（COT），輸出電容應(yīng)與LED陣列并聯(lián)。 （圖3b）在遲滯電壓調(diào)節(jié)器電路中，該技術(shù)通常用于增加反饋節(jié)點(diǎn)處的同相電壓紋波的百分比。對于電流調(diào)節(jié)器，它強(qiáng)制通過CO的紋波電流和通過LED的正向電流在開關(guān)比較器的輸入處求和。因此，RSNS上的電壓波形與開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形同相，并且結(jié)果是具有高噪聲抑制的可預(yù)測操作。低輸出電容和高電感電流紋波的組合實際上使滯后和COT電流調(diào)節(jié)器比電壓調(diào)節(jié)器更可靠，更容易設(shè)計。

圖3a：PWM調(diào)節(jié)器。圖3b：基于比較器的穩(wěn)壓器

結(jié)論

高亮度，高功率LED代表了自熒光燈泡引入以來照明設(shè)計的最大變化。使用LED需要對用于照明系統(tǒng)的電子設(shè)備的復(fù)雜性進(jìn)行根本改變。目前，LED照明設(shè)計的很大一部分是白熾燈，鹵素?zé)艉蜔晒鉄粞b置的改造。這種系統(tǒng)很少包括復(fù)雜的調(diào)光控制，并且在小尺寸上具有很高的價值。這些應(yīng)用中輸出電容是驅(qū)動電路的一個受歡迎的補(bǔ)充。在未來，用于普通照明的LED的較高成本將通過對亮度，色調(diào)和顏色的新控制水平來平衡。家庭和企業(yè)的照明需要快速PWM調(diào)光，要求電流驅(qū)動器最小化或消除其輸出電容。這些系統(tǒng)將利用當(dāng)今快速調(diào)光應(yīng)用的經(jīng)驗，這些應(yīng)用已經(jīng)擺脫輸出電容以提供最佳響應(yīng)時間。