LED 燈的控制方法淺析

通常來說全閉環(huán)控制，檢測輸出電流，來發(fā)出 PWM 信號，是真正的恒流電源驅(qū)動控制技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，相對于其他非閉環(huán)的方案，這種獨(dú)有的閉環(huán)恒流控制技術(shù)使輸出電流精度有了質(zhì)的飛躍，使整機(jī)電源在全電壓、全負(fù)載、電感變化范圍內(nèi)的電流精度達(dá)到行業(yè)內(nèi)目前最高的±0.9%。相信在未來的科學(xué)技術(shù)更加發(fā)達(dá)的時候，LED 會以更加多種類的方式為我們的生活帶來更大的方便，這就需要我們的科研人員更加努力學(xué)習(xí)知識，這樣才能為科技的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

在科技高度發(fā)展的今天，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，LED 燈的技術(shù)也在不斷發(fā)展，為我們的城市裝飾得五顏六色。針對 LED 照明負(fù)載特點(diǎn)，目前非隔離式的恒流驅(qū)動電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上是 BUCK 降壓結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的方案是通過固定關(guān)斷時間來固定峰值電流，從而達(dá)到固定輸出電流的控制策略。

本文將討論這種控制策略實(shí)現(xiàn)恒流的原理，分析這種開環(huán)控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，和應(yīng)用這種控制策略需要做的外圍補(bǔ)償，同時基于占空比半導(dǎo)體公司新產(chǎn)品 DU2401 芯片，介紹這種全新的閉環(huán)電流控制策略，詳細(xì)介紹這種控制策略如何突破性提高 LED 輸出電流精度，從開環(huán)到閉環(huán)是其本質(zhì)的突破。

1原理與設(shè)計

1.1 目前 LED 非隔離恒流驅(qū)動電流領(lǐng)域主流的控制策略

如圖 1 所示，電路是 BUCK 降壓結(jié)構(gòu)，芯片控制的是 MOSFET 的源極，這是一種開環(huán)的恒流電流控制方式，控制原理如下：

芯片內(nèi)部有兩個比較器，其比較參考電平分別為 Vpk 和 Vvalley，與之比較的是 Rs 兩端的電壓。

Vin 上電時，電感 L 和電流采樣電阻 Rs 的初始電流為零，LED 輸出電流也為零。這時候，CS 比較器的輸出為高，內(nèi)部功率開關(guān)導(dǎo)通，SW 的電位為低。電流通過電感 L、電流采樣電阻 Rs、LED 和內(nèi)部功率開關(guān)從 Vin 流到地，電流上升的斜率由 Vin、電感 L 和 LED 壓降決定，在 Rs 上產(chǎn)生一個壓差 Vcs，當(dāng)(Vin-Vcs)>Vpk 時，CS 比較器的輸出變低，內(nèi)部功率開關(guān)關(guān)斷，電流以另一個斜率流過電感 L、電流采樣電阻 Rs、LED 和肖特基二極管 D，當(dāng) Vin-Vcs

所以，這種開環(huán)的控制策略是，根據(jù)兩個比較電平參考電位 Vpk 和 Vvalley，來設(shè)定電感電流的峰峰值，從而起到了設(shè)定輸出平均電流值的效果。

這是一種簡單有效的控制策略，但是由于這是一種開環(huán)控制模式，只能檢測電感上的峰值電流，無法檢測輸出電流，外部條件發(fā)生變化時，兩個比較器都會產(chǎn)生延時，輸出電流精度在三種情況下容易出現(xiàn)偏差：

1、當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(如：不同的 LEDVf 和不同串?dāng)?shù))

2、當(dāng)主電感感量發(fā)生變化時(如：實(shí)際上量產(chǎn)的精度不高)

3、當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時。

2.2DU2401 如何實(shí)現(xiàn)真正全閉環(huán)的恒流控制

所謂的閉環(huán)，即真正檢測輸出電流值，以此為標(biāo)準(zhǔn)來發(fā)出 PWM 信號。所謂開環(huán)，不以檢測到的輸出電流值來做發(fā)出 PWM 信號的參考。從電路拓?fù)渖?，二者沒有區(qū)別。但是在芯片內(nèi)部對檢測到的如圖 2CS 腳電感電流信號，做專利技術(shù)處理，如圖 3TRUEC2 部分。這樣，就檢測到了電感電流的平均值，也就是輸出電流的平均值。芯片針對檢測到的值，控制輸出占空比，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。

另外，圖 1Rs 電阻串聯(lián)在 Vin 和 LED 負(fù)載之間，這意味著不論芯片內(nèi)部開關(guān)管開通和關(guān)斷，Rs 都將通過電流。圖 2 的全閉環(huán) LED 射燈驅(qū)動電源中，Rs 只在開關(guān)管開通的時候，有電流通過，這也是全閉環(huán)控制帶來的好處。這樣會帶來一個非常顯著的性能提高，因?yàn)?Rs 電阻的能耗減少，會提高整個系統(tǒng)的效率。DU2401 達(dá)到了業(yè)內(nèi)最高的 98%的效率，正是基于這種全閉環(huán)控制策略。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們選擇了一個典型 LED 射燈應(yīng)用來做 IC 功能驗(yàn)證，基本電參數(shù)要求如下：

輸入電壓范圍：12.5~30VDC 效率：>90%

輸出電壓范圍：3~10.5VDC 輸出電流：700mA

對于輸入電壓、負(fù)載 LED 變化情況下，我們測試得到如下交叉調(diào)整率結(jié)果：

圖 5 可以看到，由于閉環(huán)控制，在設(shè)計的正常工作范圍內(nèi)，輸出電流維持定值，單顆系統(tǒng)可以認(rèn)為是恒定的輸出電流，即線性、負(fù)載調(diào)整率理論值是 0。量產(chǎn)時，由于參數(shù)一致性分布，大量數(shù)據(jù)表明，恒流精度小于±0.9%。

對于輸出電感變化，我們測試到如下結(jié)果：

圖 6 反映的是電感大范圍變化(設(shè)計標(biāo)稱值 68uH)時，輸出電流的變化，如左圖。如果這種測試用于目前市場上開環(huán)系統(tǒng)芯片，電流會出現(xiàn)線性的大范圍波動，如右圖。而 DU2401 閉環(huán)的方式，使得輸出電流依然保持±0.9%以內(nèi)的恒流精度。充分說明了閉環(huán)系統(tǒng)對于整個系統(tǒng)恒流精度提高的重要性。

基于圖 4 的極簡線路，如圖 9、圖 10 顯示，此方案可以在非常小的尺寸下實(shí)現(xiàn) 3W 的輸出功率。這樣的小尺寸，對于空間狹小，要求很高的射燈，有實(shí)際的意義。高功率密度是 LED 燈具對 LED 驅(qū)動電源提出的要求，更優(yōu)的控制方式是實(shí)現(xiàn)更高的功率密度的根本途徑。

由圖 11 可以看到基于 TRUECC 專利技術(shù)的高性能 LED 射燈方案成本只有 1.45 元，成本上優(yōu)勢很大。