在设计HB LED恒流驱动时输出电容应如何选择

目前可提供高亮度LED，其正向电流比前代产品高100倍以上。这些新设备不仅具有高亮度，而且还具有高功率。现在可提供功耗超过25 W的单芯片，功耗超过25 W的单芯片。高效率和低功耗的要求决定了新一代高亮度（HB），高功率（HP）LED的开关电源，因为电压调节器和限流电阻不再适用。高亮度，高功率LED需要恒流源，以充分利用其不断提高的发光效率和鲜艳纯净的色彩。这种新型开关恒流源的首选拓扑结构是基本降压转换器。使用降压转换器的最有说服力的理由是这种简单的DC/DC转换器可以很容易地变成恒流源。本文将解释在设计用于HB LED恒流驱动的降压稳压器时输出电容的选择或可能的排除。

图1：传统降压稳压器（左）和降压电流调节器（右）。

受控电流

降压调节器非常适合作为恒流驱动器，因为输出电感与负载串联。无论降压调节器是用作电压源还是电流源，电感器的选择都是系统设计的基石。电感与输出串联时，平均电感电流始终等于平均输出电流，降压转换器自然保持对交流电流纹波的控制。根据定义，LED驱动器是恒定负载系统;因此，在负载瞬变期间不需要大量的输出电容来维持VO。

无输出电容会产生高输出阻抗

理论上，理想的电流源具有无限的输出阻抗，允许电压无限快速地转换为为了保持恒定的电流。对于专注于稳压器的开关稳压器设计人员来说，这个概念可能需要一些时间才能吸收。完全从降压稳压器中移除输出电容会迫使输出阻抗取决于电感。没有任何电容来抵抗VO的变化，输出电流（称为正向电流或IF）的压摆率完全取决于电感，输入电压和输出电压。 （VO等于每个串联LED的组合正向电压VF）

LED制造商通常建议纹波电流ΔIF为直流正向电流的±5％至±20％。在50 kHz至2 MHz的典型开关稳压器频率范围内，人眼看不到纹波本身。这些限制来自于较高纹波电流（LED半导体PN结本身的特性）下的热损耗增加以及对所用电感的实际限制。百分比类似于降压稳压器中推荐的电流纹波比。因此，固定频率电流调节器的电感选择由与电压调节器相同的等式控制：

一个区别是用于没有输出电容的电流调节器的电感往往更高因为新兴标准1 W，3 W和5 W HB LED的驱动电流分别为350 mA，700 mA和1 A.现代降压稳压器倾向于使用0.1μH至10μH范围内的电感，饱和电流范围为5 A至50 A.类似开关频率的电流驱动器往往需要10μH至1000μH范围内的电感器和0.5范围内的饱和电流。 A至5 A.

高输出阻抗的主要目标是创建一个能够响应PWM调光信号的系统，这是控制LED光输出的首选方法。可以施加调光信号以启用调节器的引脚，在这种情况下，输出电流可以从零转换到目标并且回到零而没有CO的充电和放电延迟。为了实现更快，更高分辨率的调光，可以将分流开关（通常是MOSFET）与LED阵列并联放置，从而始终保持连续的电流流动。同样，如果没有输出电容来降低压摆率，则可以将调光频率调整为10 kHz。这是平板显示器背光和使用RGB阵列创建白光等应用的关键要求。

图2：使用并联NFET进行调光。

使用输出电容可减小尺寸和成本

有些输出电容可用作交流电流滤波器。诸如改造白炽灯和卤素灯之类的应用通常要求将LED和驱动器放置在以前由灯泡占据的小空间中。电感器总是LED本身之后最大，最昂贵的元件。为了提高效率（在狭窄的空间中尤为重要），设计人员通常选择最低的开关频率，以便能够安装解决方案（主要是电感器）。允许电感器中的大纹波电流和滤波LED电流导致更小，更便宜的解决方案。例如，要驱动单个白光LED（VF≈3.5V）为1A，纹波电流ΔIF为±5％，输入为12V，500 kHz，则需要50μH电感，额定电流为1.1A。适合此应用的典型铁氧体磁芯设备可能是10平方毫米，高4.5毫米。相反，如果允许电感纹波电流增加到±30％（典型的低电流电压调节器），则所需的电感小于10μH，电感器的尺寸为6.0 mm，高度仅为2.8 mm可以使用。所需的输出电容基于LED的动态电阻rD，感测电阻，RSNS以及开关频率下电容器的阻抗来计算，使用以下表达式：

典型值输出电容的值范围为0.1μF至10μF，非常适合陶瓷电容器。在许多应用中，增加一个输出电容可以减小整个解决方案的尺寸和成本。

输出电容放置

对于使用基于PWM的控制的降压调节器，例如电压模式（VM）和电流模式（CM）输出电容应从稳压器输出连接到系统地，与普通降压稳压器相同。 （图3a）这样，系统的控制 - 输出传递函数可以用设计电压调节器时使用的相同方程进行分析。当使用基于比较器的控制时，例如迟滞或恒定导通时间（COT），输出电容应与LED阵列并联。 （图3b）在迟滞电压调节器电路中，该技术通常用于增加反馈节点处的同相电压纹波的百分比。对于电流调节器，它强制通过CO的纹波电流和通过LED的正向电流在开关比较器的输入处求和。因此，RSNS上的电压波形与开关节点波形同相，并且结果是具有高噪声抑制的可预测操作。低输出电容和高电感电流纹波的组合实际上使滞后和COT电流调节器比电压调节器更可靠，更容易设计。

图3a：PWM调节器。图3b：基于比较器的稳压器

结论

高亮度，高功率LED代表了自荧光灯泡引入以来照明设计的最大变化。使用LED需要对用于照明系统的电子设备的复杂性进行根本改变。目前，LED照明设计的很大一部分是白炽灯，卤素灯和荧光灯装置的改造。这种系统很少包括复杂的调光控制，并且在小尺寸上具有很高的价值。这些应用中输出电容是驱动电路的一个受欢迎的补充。在未来，用于普通照明的LED的较高成本将通过对亮度，色调和颜色的新控制水平来平衡。家庭和企业的照明需要快速PWM调光，要求电流驱动器最小化或消除其输出电容。这些系统将利用当今快速调光应用的经验，这些应用已经摆脱输出电容以提供最佳响应时间。