降壓-增壓恒流LED驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

為了優(yōu)化性能，高亮LED需用電流源而非電壓源來驅(qū)動(dòng)。本文我們將了解一種恒流LED驅(qū)動(dòng)方案，它可以用于驅(qū)動(dòng)一條串聯(lián)的LED串。

為了驅(qū)動(dòng)LED串，我們采用改進(jìn)后的降壓-增壓轉(zhuǎn)換器電源拓?fù)?，將LED串置于DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端和輸入電壓源之間。運(yùn)用這種連接方式，可以為LED串提供低于或高于輸入的驅(qū)動(dòng)電壓。

雖然LED串兩端的電壓存在降壓-增壓轉(zhuǎn)換器提供的直流增益，但其輸入電流是非脈動(dòng)方式，這不同于典型的降壓-增壓轉(zhuǎn)換器的脈動(dòng)輸入電流，非脈動(dòng)電流有效降低了EMI。本文所討論的PWM控制器采用平均電流控制模式。

圖1所示LED驅(qū)動(dòng)器有如下直流特性：

(1)

由于

 ，

此處D為占空比

(2)

在平均電流控制模式下，輸入電流由輸入電壓返回環(huán)路的檢流電阻檢測(圖2)。該電壓送入電流誤差放大器(CEA)的反相輸入端。放大器的同相輸入端連至電流控制電壓。誤差信號(hào)經(jīng)過放大器放大后，驅(qū)動(dòng)PWM比較器的輸入端，與開關(guān)頻率的斜坡信號(hào)進(jìn)行比較。電流環(huán)路的增益帶寬特性可通過CEA附近的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。

電流環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)

業(yè)內(nèi)已經(jīng)有多種集成驅(qū)動(dòng)方案，為了幫助用戶選擇方案，我們對MAX16818集成控制系統(tǒng)進(jìn)行了檢驗(yàn)。這個(gè)平均電流模式控制器利用跨導(dǎo)放大器(transcONductance amplifier)放大電流誤差信號(hào)。檢流電阻兩端的電壓由內(nèi)部放大器放大34.5倍，電流誤差放大器的跨導(dǎo)是550 uS，鋸齒波信號(hào)峰值為2V。該電路中，輸入電流在返回通路上由電阻Rs檢測(圖3)。

圖3：利用MAX16818(內(nèi)部電流環(huán)路)構(gòu)建的高亮LED驅(qū)動(dòng)器。

電流檢測電阻值由平均電流極限設(shè)置，LED支路的最大電壓為：

此處n是LED的數(shù)目，Vfm(If)是LED在滿負(fù)荷電流If下的最大壓降。

 最大輸入功率為Pmax = VLED(max) ×IfVLED(max) ×I f，效率為η。因而，最大輸入電流為：

 (1)

最小平均電流閥值為24mV，因而，電流檢測電阻值為：

 (2)

為了避免控制器的PWM比較器輸出自激，比較器反相輸入信號(hào)的斜率應(yīng)小于同相輸入的鋸齒波斜率。鋸齒波斜率為Vs×fs，電流誤差放大器的增益為GCA。

 (3)

式中，gm是CEA跨導(dǎo)，放大器輸出為PWM比較器的反相輸入。PWM比較器的同相輸入是鋸齒波，峰值為Vs、開關(guān)頻率為fs。這是電流誤差放大器從Rs檢流電壓到放大器輸出在高頻端的交流增益，頻率低于補(bǔ)償電容Cp產(chǎn)生的極點(diǎn)。這是PWM比較器敏感頻點(diǎn)處的增益。

 電流誤差放大器的最大增益GCA由下式(4)決定：

 (4)

VLED(max)/L是輸入電流的下降斜率。

從等式(4)我們可以得出Rc的最大值為：

 (5)

由RcCc決定的零點(diǎn)頻率要低于電流環(huán)路的交越頻率fc(crossover frequency)，且要留有足夠的相位余量，這是確定Cc值的標(biāo)準(zhǔn)。LED驅(qū)動(dòng)器功率電路的小信號(hào)等效模型由下面推導(dǎo)的公式表示。

升壓調(diào)節(jié)器電流環(huán)路的小信號(hào)控制到輸出增益，即從CEA輸出vca到Rs電壓vRs的表達(dá)式為：

 (6)

式中：Rs為電流檢測電阻，L為輸入電感值

 Il是電感的直流電流

 VIN是直流輸入電壓

 VLED是LED支路的總直流電壓

 輸入電流部分的總開環(huán)增益為(6)式和(3)式的乘積，將乘積設(shè)為1，計(jì)算環(huán)路的交越頻率為：

 (7)

 將式(5)中的Rc最大值帶入式(7)，交越頻率最大值fcmax為

 (8)

 電流環(huán)路設(shè)計(jì)完成后，可以設(shè)計(jì)外部電壓回路。

設(shè)計(jì)范例

以下提供了一個(gè)典型設(shè)計(jì)范例，3條LED串聯(lián)支路，輸入電壓范圍為7V~28V，開關(guān)頻率為600KHz，電感為5.1uH。該例所需最大輸出電流為1.2A，LED數(shù)為1到4只，LED支路的最大壓降為18V，總輸出功率為Pmax = 21.6 W。假定效率為90％，我們可以計(jì)算出最大輸入電流為3.428A。如果設(shè)定檢流電阻為0.007Ω，Rc最大值可以由式(5)求得：

我們可選擇小于Rcmax的Rc，Rc=2kΩ。對于18V的輸出，由式(8)求出

 。需設(shè)定零點(diǎn)頻率fz低于fcmax，本例中，我們選擇Cc為2200pf。所以，零點(diǎn)頻率為

；

極點(diǎn)頻率需高于2倍開關(guān)頻率，這里我們選擇Cp為4 pf，得到fp為1.693 MHz。

 LED可以建模為一個(gè)電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻，在該模型中，每個(gè)LED等效為3.15V電壓源串聯(lián)一個(gè)0.6Ω的電阻。如果我們將3只LED串聯(lián)，那么，總的電壓源電壓為9.45V，總阻抗為1.8Ω。如果輸入為9V，3只LED串聯(lián)，則交越頻率為

。

圖4a是PSIM仿真電路，圖4b為仿真結(jié)果。

圖4a：buck-booST LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部平均電流模式環(huán)路的仿真電路。

圖4b：圖5a的仿真結(jié)果

LED電流檢測

高邊LED電流檢測使用電流檢測放大器檢測LED電流，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成以地為參考的電壓。MAX4073可以完成這項(xiàng)工作。電路中，內(nèi)部電流環(huán)路的總開環(huán)增益可通過加入一個(gè)交流掃描電源(圖4a)測量。仿真得到電流環(huán)路的交越頻率為85.5kHz，與計(jì)算值82.445kHz(圖4b)很接近。

如果在Vout引腳和GND之間沒有任何電阻，MAX4073T的實(shí)際電壓增益 為20。該增益可以通過Vout引腳和GND之間的外部電阻調(diào)節(jié)。高邊電流放大器的帶寬為1.8MHz。II類補(bǔ)償就足以補(bǔ)償電壓環(huán)路，并在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持LED驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性。也可以用一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀優(yōu)化電壓環(huán)路的II類補(bǔ)償，其交越頻率應(yīng)遠(yuǎn)低于平均電流模式控制環(huán)路的交越頻率。

PWM調(diào)光控制

LED亮度可以通過PWM信號(hào)控制，這種方法通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通時(shí)間控制LED的輸出電流。模擬調(diào)光改變的是LED驅(qū)動(dòng)器的模擬輸出電流，會(huì)導(dǎo)致色彩失真。所以，PWM調(diào)光是調(diào)節(jié)LED亮度的理想方式。采用PWM調(diào)光方式時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通時(shí)間可調(diào)，其占空比近似等效于顯示器亮度，即100％占空比對應(yīng)最大亮度。也可以利用PWM調(diào)光方案從零到滿負(fù)荷調(diào)節(jié)LED電流，但由于控制環(huán)路速度太慢，無法實(shí)現(xiàn)較寬的亮度調(diào)節(jié)范圍。對電路進(jìn)行改進(jìn)，可以獲得快速響應(yīng)，利用MAX16818就可以實(shí)現(xiàn)這樣的PWM調(diào)光控制環(huán)路。

當(dāng)PWM調(diào)光信號(hào)變低時(shí)，通過斷開與LED串聯(lián)的開關(guān)迅速降低LED電流到零。同時(shí)，用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器通過短接MAX16818的CLP引腳被關(guān)閉，通過導(dǎo)通Q1完成該操作。同時(shí)，與外部電壓環(huán)路中補(bǔ)償器件串聯(lián)的開關(guān)(Q3)開路，從而保持外部電壓環(huán)路補(bǔ)償電容的電壓。將CLP引腳短路到地可以立即將輸入電流降至零。因?yàn)槠骄娏骺刂颇Ｊ接泻芨叩慕辉筋l率：

所以，不需要將一個(gè)開關(guān)與內(nèi)部環(huán)路電流的補(bǔ)償電容串聯(lián)。一旦PWM調(diào)光信號(hào)變高，CLP引腳的開關(guān)斷開，而與外部電壓補(bǔ)償電路串聯(lián)的開關(guān)導(dǎo)通，打開LED串聯(lián)開關(guān)允許LED電流流過。通過這種方式，控制環(huán)路可以恢復(fù)到斷開LED電流通路前的狀態(tài)，快速恢復(fù)LED電流，而且電流過沖非常小。LED驅(qū)動(dòng)器的完整原理圖如圖5所示。

圖5：降壓-升壓LED驅(qū)動(dòng)器原理圖。

圖5中的LED驅(qū)動(dòng)器輸入電壓為7V至28V，LED電流通過電位器R2在0.4A到1.2A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。LED支路可以串聯(lián)1到4只LED。圖6提供了一個(gè)亮度調(diào)節(jié)過程的例子。LED電流具有較快的上升和下降時(shí)間，當(dāng)PWM調(diào)光信號(hào)變高時(shí)，對于0.8A的LED電流會(huì)有小于100mA的過沖。

圖6a：PWM調(diào)光過程中，LED電流的上升過程(Vin = 7 V，I = 0.8 A，3只LED串聯(lián)) ( Ch1：PWM調(diào)光信號(hào)；Ch4：LED 電流)

圖6a中，3只串聯(lián)LED的電流為0.8A，輸入電壓為7V。示波器通道1為PWM調(diào)光信號(hào)，通道4為LED電流，該電流在PWM信號(hào)變高時(shí)會(huì)增大。圖6b中，當(dāng)PWM信號(hào)關(guān)斷時(shí)，LED電流降為0。圖7a和圖7b采用了相同設(shè)置，唯一區(qū)別是輸入電壓為14V。

圖6b：PWM調(diào)光過程中，LED電流的下降過程 ( Ch1：PWM調(diào)光信號(hào)；Ch2：LED 電流)

從上述測試結(jié)果可以看出，平均電流控制模式能夠理想用于LED驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，也可以方便地對該電路加以改進(jìn)，使PWM亮度控制電路可以實(shí)現(xiàn)較高的調(diào)光比。

圖7a：PWM調(diào)光過程中，LED電流的上升過程 (Vin = 14 V，I = 0.8 A，3只LED串聯(lián))( Ch1：PWM調(diào)光信號(hào)；Ch4：LED 電流)

圖7b：PWM調(diào)光過程中，LED電流的下降中 ( Ch1：PWM調(diào)光信號(hào)；Ch4：LED 電流)