基于滯環(huán)跟蹤控制的LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種新的基于滯環(huán)跟蹤控制的LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)方法。它通過設(shè)定的閾值電壓來控制流經(jīng)電感的峰值和谷值電流，從而精確控制LED的平均電流值。經(jīng)過對滯環(huán)比較跟蹤方法控制的LED驅(qū)動電路進(jìn)行理論分析與計(jì)算，并對驅(qū)動電路進(jìn)行了時(shí)序仿真，軟件仿真結(jié)果符合理論計(jì)算，驗(yàn)證了理論分析的正確性。滯環(huán)跟蹤控制的LED驅(qū)動電路較好地解決了峰值電流控制的平均電流與峰值電流不一致的問題，且電路具有自穩(wěn)定性，故無需額外斜坡補(bǔ)償電路。
關(guān)鍵詞：LED；峰值電流控制；滯環(huán)跟蹤控制；PSIM

    大功率白光LED由于其的高效率、長壽命、環(huán)保、可平滑調(diào)光等特點(diǎn)，己成為先進(jìn)的固態(tài)照明光源，它已應(yīng)用于普通照明、液晶電視，街道和停車場等離線照明場所。對于LED驅(qū)動方式而言，每種LED驅(qū)動都有它的適用范圍，也有它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，搞清楚各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以更好地根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理的LED驅(qū)動電路。這可以通過效率、工作電壓、噪聲干擾、輸出調(diào)節(jié)、反應(yīng)速度以及安裝尺寸和成本來進(jìn)行比較分析。由LED的電流一電壓特性可知，在正向?qū)▔航涤幸粋€(gè)較小變化時(shí)，將會引起導(dǎo)通電流產(chǎn)生較大的變化，從而引起LED亮度不穩(wěn)定，所以需要采用恒流控制的方式來驅(qū)動LED，通過精確控制其電流值可以均勻調(diào)節(jié)亮度，這對大功率LED尤其重要。恒流驅(qū)動的控制方法主要有電阻限流，線性調(diào)節(jié)控制，DC—DC控制等多種方法。電阻限流和線性控制都能獲得較好的恒流特性，但由于其效率過低，故較少采用，DC—DC控制由于其高效率和高靈活性而得到廣泛的應(yīng)用。
    目前廣泛應(yīng)用的開關(guān)控制模式是峰值電流檢測PWM模式，通過檢測開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)通過LED的峰值電流大小，觸發(fā)開關(guān)管驅(qū)動的電平翻轉(zhuǎn)，并在固定時(shí)刻導(dǎo)通，所以可以通過控制取樣電阻的峰值電流大小來控制LED電流平均值。但這種驅(qū)動方式存在平均電流和峰值電流不一致的問題，針對上述不足，文獻(xiàn)提出了基于電流平方控制的方法加以解決。但是由于電路還存在次諧波震蕩問題，當(dāng)占空比大于0．5時(shí)，需要對電路進(jìn)行斜坡補(bǔ)償，否則電感電流將不穩(wěn)定。增加斜坡補(bǔ)償電路可以克服上述不足，但卻增加了電路的復(fù)雜程度。為了解決上述問題，本文提出了基于滯環(huán)比較跟蹤控制的LED驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)方法，它是一種非線性砰一砰控制方法，該方法具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，在控制領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。

1 電路原理及設(shè)計(jì)
    電路整體由三個(gè)部分組成：主電路、電流檢測電路和滯環(huán)跟蹤控制電路。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管反向偏置截止，電感電流線性增加，取樣電阻R10兩端電壓差變大，將此電壓差通過差動放大電路，反饋到滯環(huán)控制電路，與滯環(huán)控制設(shè)定的閾值電壓相比較。當(dāng)電壓達(dá)到滯環(huán)跟蹤控制系統(tǒng)的電壓的上限值時(shí)，比較器輸出電平翻轉(zhuǎn)，關(guān)閉開關(guān)器件，由于電感電流不能突變，此時(shí)感應(yīng)出一個(gè)反向電壓，續(xù)流二極管正向偏置導(dǎo)通。電感、二極管和負(fù)載形成回路，電感放電，當(dāng)放電電壓低于滯環(huán)跟蹤控制系統(tǒng)的電壓的下限值時(shí)，比較器電壓翻轉(zhuǎn)，開關(guān)器件導(dǎo)通，循此反復(fù)，限制了電感電流的峰值和谷值，達(dá)到了限定LED電流平均值的目的。
1．1 主電路設(shè)計(jì)
    圖1所示為驅(qū)動電路的主電路原理圖，由30 V的電源、開關(guān)器件和續(xù)流二極管組成，取R3=30 Ω的電阻代替LED器件，由L1=1 mH的電感和C3=100μF的電容組成DC—DC電路。

1．2 電流檢測電路設(shè)計(jì)
    圖2為高邊電流檢測電路，通過檢測R10的電阻二端的電壓差值可以檢測電感電流的峰值和谷值。電路為減法運(yùn)算放大電路，設(shè)置R11／R13=R12／R14，則：
    Vout=(R14／R12)(Vin0-Vin1)      (1)
    所以當(dāng)R14=R12時(shí)，R10兩端的電壓為Vout。通過設(shè)定比例可以使電路電流按同比例變化。

1．3 滯環(huán)比較跟蹤電路設(shè)計(jì)
    圖3所示為滯環(huán)跟蹤控制的電路原理圖，由運(yùn)算放大器和電阻組成的電壓比較前級，與非門組成的RS鎖存器以及消抖D觸發(fā)器。Vo1為滯環(huán)控制電壓的上限值，Vo2為滯環(huán)控制電壓的下限值。當(dāng)輸入電壓小于Vo2時(shí)輸出滯環(huán)輸出為1，使開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)電壓在Vo1～Vo2之間時(shí)為保持狀態(tài)；當(dāng)輸入電壓高于Vo2時(shí)滯環(huán)輸出為0，使開關(guān)器件關(guān)閉。如此反復(fù)，即可完成對電流的跟蹤控制作用。由于電路頻率抖動范圍過大，電路輸出連接D觸發(fā)器，降低滯環(huán)的抖動頻率，f≤CLK。
    由圖可知電壓閾值：
    Vo1=V(R6+R7)／(R5+R6+R7)      (2)
    Vo2=VR7／(R5+R6+R7)           (3)
    因此可以通過調(diào)節(jié)R5，R6和R7來調(diào)節(jié)閾值電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出恒定電流值的調(diào)節(jié)。電路電流平均值等于流過取樣電阻的平均值。即：Iled=IR10。
    IR10=R14／R12·(Vin0-Vin1)／R10=(Vo1+Vo2)／(R14／R12)／R10／2     (4)
    滯環(huán)電流范圍是：
    △I=(Vo1-Vo2)·R12／(R10·R14)          (5)

2 滯環(huán)跟蹤控制驅(qū)動電路仿真分析
    為了驗(yàn)證以上分析，本文采用仿真軟件PSIM 6．0對該電路控制方法進(jìn)行時(shí)域仿真，電路的基本參數(shù)為：V1=30 V，V2=5 V，R5=100 kΩ，R6=50 Ω，R7=700 Ω。L=1 mH，C=100μF，R10=0．1 Ω，R11=R12=R13=R14=10 kΩ，CLK=500 kHz，其中大功率LED等效為R3=30 Ω電阻負(fù)載。
    由式(1)～式(3)可得表1。

    由仿真波形圖4可得穩(wěn)態(tài)電流為366．5 mA，與理論相差6．5 mA，相對誤差為1％。精確的控制了LED的平均電流，并且紋波電流小于0．01 mA，開啟電流緩慢上升，具備電路軟啟動的功能，對電路起到了很好的保護(hù)。圖5和圖6可知由滯環(huán)跟蹤控制的輸出電平脈寬寬度能很好的跟蹤電感峰值電壓，實(shí)現(xiàn)輸出恒定的電流值。但由于系統(tǒng)的延時(shí)，電感電壓會略超出或略低于閾值電壓。

    經(jīng)進(jìn)一步仿真，當(dāng)輸入電壓在10～100V之間變化時(shí)，輸出電流變化小于10 mA。當(dāng)輸出負(fù)載為10 Ω、20 Ω和30 Ω的時(shí)，電流變化同樣小于10 mA。系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，表明電路具有很強(qiáng)的自穩(wěn)定性。

3 結(jié)語
    滯環(huán)比較跟蹤控制的LED驅(qū)動電路通過調(diào)節(jié)閾值電壓范圍可以精確控制LED的平均電流值，很好地滿足了大功率LED對電流的要求；它還解決了峰值電流控制的平均電流與峰值電流不一致以及需要額外補(bǔ)償電路的問題。通過仿真分析可知，電路的平均電流值穩(wěn)定，紋波電流小，并且具備軟啟動的特性，能滿足對色溫要求很高的大功率LED驅(qū)動電路的要求。滯環(huán)比較跟蹤控制的LED驅(qū)動電路具有響應(yīng)速度快，系統(tǒng)魯棒性好，改善了電路的啟動特性，適應(yīng)寬范圍內(nèi)電壓的輸入和負(fù)載變化較大的場合等顯著優(yōu)點(diǎn)，而且由于電路具有自穩(wěn)定性，故電路無需額外斜坡補(bǔ)償，使電路變得相對簡單。