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圖2 降壓升壓拓撲中的輸入電壓,可大于或小于輸出電壓
降壓升壓的拓撲方式電流相對較高,舉例來說,如果輸入及輸出電壓相同,電感及電源開關電流是輸出電流的兩倍以上,這對效能及功率消耗會造成負面影響。圖3的「升壓或降壓」拓撲可減輕這些問題,在此電路中會有一個升壓功率級,之后則有一個降壓功率級。如果輸入電壓高于輸出電壓,升壓功率級就會提供電壓調節,而降壓功率級則只傳遞功率。如果輸入電壓低于輸出電壓,則降壓功率級提供電壓調節,升壓功率級傳遞功率。通常降壓及升壓的運作,會有一些重迭的時間,因此在變換模式時不會出現死區(Dead-band)。
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圖3 降壓或升壓及SEPIC拓撲提供較高的效能
如果輸入與輸出電壓幾乎相同,則此電路所擁有的有利條件,就是開關與電感電流幾乎等于輸出電流,電感鏈波電流也會有較少的傾向。即使此電路中有四個功率開關,通常仍有顯著的效能增進現象,這是電池應用的關鍵所在。圖3所顯示的SEPIC拓撲所需的FET較少,但是需要更多被動組件。SEPIC拓撲的優勢,在于簡易的接地參考FET及控制電路。此外,雙通道電感可以結合為單耦合電感,節省面積與成本。不過和降壓升壓拓撲一樣,SEPIC拓撲的開關電流較「降壓或升壓」及脈沖輸出電流為高,需要能處理大量RMS電流的電容器。
基于安全考慮,可能會規定在脫機電壓及輸出電壓之間進行隔離。此應用方式下,最節省成本的解決方法就是使用返馳轉換器(圖4),在所有的隔離拓撲中,這種作法所需要的組件數量最少。變壓器匝數比可用來對輸出電壓進行降壓、升壓或降壓升壓,設計彈性很大,不過缺點在于電源變壓器基本上是訂制組件。此外,在FET以及輸入和輸出電容器中,也會有高組件應力的情形出現。應用固定燈光時,可以使用「慢速」的回饋控制循環,調節LED電流與輸入電壓同相位的情形,進行功率因子校正(PFC)。這樣可以調節所需的平均LED電流,并能調節輸入電流與輸入電壓同相位的情形,以提供高功率因子。
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圖4 返馳拓撲可以提供隔離及功率因子校正
LED調光技術 藉PWM降低亮度較佳
LED常須要調光,舉例來說,有時可能須要調整顯示亮度或是建筑照明。有兩種方式可以達到這個目標,一是降低LED電流,二是快速開關LED讓肉眼平均其亮度。效果最差的方法就是降低電流,因為燈光輸出與電流之間并不是完全的線性關系。此外,LED的顏色光譜在電流低于最大額定值時,會有偏移的傾向。人類對亮度的察覺是一種指數關系,因此如果要調整亮度,可能須要大幅度改變電流,這對電路設計的影響甚大。因為在最大電流下3%的調節錯誤,可能會因為電路容忍度,在10%的負載時出現30%以上的錯誤。藉由脈沖寬度調變(PWM)影響電流而降低亮度,是比較正確的作法,不過仍然有反應速度的問題。在照明或顯示時,須要使用100Hz以上的脈沖寬度調節,人類眼睛才不會察覺到閃爍的情形。10%的脈沖寬度是在毫秒范圍之中,因此電源供應的帶寬需要大于10kHz。