一種LED串的DCM升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案

0 引言

固定頻率升壓轉(zhuǎn)換器非常適合于以恒流模式驅(qū)動(dòng)LED串。這種轉(zhuǎn)換器采用不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)工作，能夠有效地用于快速調(diào)光操作，提供比采用連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)工作的競(jìng)爭(zhēng)器件更優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)LED導(dǎo)通時(shí)，DCM工作能夠提供快速的瞬態(tài)性能，為輸出電容重新充電，因而將LED的模擬調(diào)光降至最低。為了恰當(dāng)?shù)胤€(wěn)定DCM升壓轉(zhuǎn)換器，存在著小信號(hào)模型。然而，驅(qū)動(dòng)LED的升壓轉(zhuǎn)換器的交流分析，跟使用標(biāo)準(zhǔn)電阻型負(fù)載的升壓轉(zhuǎn)換器的交流分析不同。由于串聯(lián)二極管要求直流和交流負(fù)載條件，在推導(dǎo)最終的傳遞函數(shù)時(shí)必須非常審慎。

本方案先將使用基于所研究轉(zhuǎn)換器之輸出電流表達(dá)式的簡(jiǎn)化方法。然后將深入研究應(yīng)用方案，驗(yàn)證測(cè)量精度，并與理論推導(dǎo)進(jìn)行比較，最終驗(yàn)證了本方案的實(shí)用性。

第1部分：的驅(qū)動(dòng)LED串的DCM升壓轉(zhuǎn)換器的理論

1 驅(qū)動(dòng)LED串以發(fā)光的升壓轉(zhuǎn)換器

圖1顯示了驅(qū)動(dòng)LED串的恒定頻率峰值電流工作模式升壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化電路圖。輸出電流被感測(cè)電阻Rsense持續(xù)監(jiān)測(cè)。相應(yīng)的輸出電壓施加在控制電路上，持續(xù)調(diào)節(jié)電源開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，以提供恒定的LED電流Iout.這就是受控的輸出變量。

圖1:動(dòng)LED串以發(fā)光的升壓轉(zhuǎn)換器

發(fā)光時(shí)， LED串會(huì)在LED連接的兩端產(chǎn)生電壓。這電壓取決于跟各個(gè)LED技術(shù)相關(guān)的閾值電壓VT0及其動(dòng)態(tài)阻抗rd.因此，LED串兩端的總壓降就是各LED閾值電壓之和VZ,而而動(dòng)態(tài)阻抗rLEDs表示的是LED串聯(lián)動(dòng)態(tài)阻抗之和。圖2顯示的是采用的等效電路。您可以自己來(lái)對(duì)LED串壓降及其總動(dòng)態(tài)阻抗進(jìn)行特征描述。為了測(cè)量起見(jiàn)，將LED串電流偏置至其額定電流IF1.一旦LED達(dá)到熱穩(wěn)定，就測(cè)量LED串兩端的總壓降Vf1.將電流改變?yōu)樯缘椭礗F2并測(cè)量新的壓降VF2.根據(jù)這些值，您可計(jì)算出總動(dòng)態(tài)阻抗，即：

“齊納”電壓約等于LED串電壓VF1減去rLEDs與測(cè)量點(diǎn)電流之積：

圖2:LED采用串聯(lián)連接

需對(duì)它們的閾值電壓進(jìn)行累加;而總動(dòng)態(tài)阻抗是串聯(lián)連接的各個(gè)LED動(dòng)態(tài)阻抗之和?；仡^再看圖1,LED串與感測(cè)電阻Rsense串聯(lián)。總交流(ac)阻抗因此就是兩者之和：

圖3是大幅簡(jiǎn)化的等效直流(dc)電路圖。直流輸出電壓Vout等于輸出電流Iout與電阻Rac之積再加齊納電壓，在交流條件下，由于齊納電壓恒定，故上述等式可簡(jiǎn)化為：

圖3:直流簡(jiǎn)化電路圖

2 簡(jiǎn)化模型

電流源實(shí)際上指的是從輸入電源獲得并無(wú)損耗地傳輸?shù)捷敵龅碾娏?。電流源可以被控制電壓Vc向上或向下調(diào)節(jié)，而Vc逐周期設(shè)定電感峰值電流。控制器通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)電流感測(cè)電阻Ri來(lái)觀測(cè)電感峰值電流，并以此工作。當(dāng)Ri兩端電壓與控制電壓匹配時(shí)，電源開(kāi)關(guān)就被指示關(guān)閉。如果我們現(xiàn)在來(lái)考慮交流電路圖，就要考慮電容及其寄生元件，如圖4所示。

圖4:交流模型使用跟電容模型相關(guān)的總阻抗Rac

在存在補(bǔ)償斜坡的情況下，控制電壓不再是固定的直流電壓，而是斜率會(huì)影響最終峰值電流設(shè)定點(diǎn)的斜坡電壓。圖5顯示了最終波形。到達(dá)峰值電流值的時(shí)間比不存在斜坡的情況下更快，就好像我們會(huì)人為增加電流控制感測(cè)電阻Ri一樣。它有降低電流控制環(huán)路增益及降低連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下兩個(gè)極點(diǎn)的作用。當(dāng)轉(zhuǎn)換器過(guò)渡到DCM時(shí)，仍然存在斜坡，必須予以顧及。

圖5:由于補(bǔ)償斜坡的緣故，峰值電流并不等于控制電壓除以Rsense

3 完整交流模型

既然我們已經(jīng)推導(dǎo)出所有系數(shù)，我們就可以更新原先圖4中中所示的模型。更新的電路圖如圖6示。R1對(duì)應(yīng)于等式(20)中的系數(shù)，并可推導(dǎo)出與輸出電壓調(diào)制直接成正比的電流。

圖6:交流模型圖

4 應(yīng)用脈寬調(diào)制(PWM)進(jìn)行調(diào)光控制

我們將使用下面的值來(lái)檢驗(yàn)我們的計(jì)算。這是一款DCM升壓轉(zhuǎn)換器，為22V壓降的LED串提供恒定功率，詳細(xì)參數(shù)參看附件。[!--empirenews.page--]

圖7:平均模型幫助驗(yàn)證工作偏置點(diǎn)及交流響應(yīng)

圖8:波特圖確認(rèn)了直流增益及極點(diǎn)位置

第2部分：LED調(diào)光控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用方案與驗(yàn)證

1 LED調(diào)光控制系統(tǒng)電路圖

高亮度白光LED的模擬調(diào)光會(huì)產(chǎn)生色偏。PWM數(shù)字調(diào)光控制是預(yù)防色偏的首選調(diào)光方法，因?yàn)榘l(fā)光強(qiáng)度將是平均流明強(qiáng)度。PWM導(dǎo)通周期期間的LED電流幅值與調(diào)光比為獨(dú)立互不影響。

圖12代表的是汽車(chē)應(yīng)用LED調(diào)光控制系統(tǒng)，其在關(guān)閉模式下靜態(tài)電流消耗低于10 A.它采用安森美半導(dǎo)體的NCV887300 1 MHz非同步升壓控制器，此器件以恒定頻率不連續(xù)峰值電流模式工作。負(fù)載包含一串共10顆的串聯(lián)Nichia NSSW157-AT[2]白光高亮度LED.相應(yīng)的電路板如圖13所示。

圖12:用了NCV887300的LED PWM調(diào)光控制電路

圖13:NCV887300 LED演示電路板

2 LED交流動(dòng)態(tài)阻抗特性鑒定

根據(jù)制造商數(shù)據(jù)表中在特定工作條件下測(cè)得的特征曲線，可以近似得出LED動(dòng)態(tài)阻抗。系統(tǒng)具體熱工作條件可能大不相同。第1部分的文章中介紹了系統(tǒng)LED動(dòng)態(tài)阻抗的系統(tǒng)級(jí)方法，這方法對(duì)器件進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)熱條件下的特性鑒定。就第2部分的文章而言，我們使用頻率響應(yīng)分析儀，在100% PWM占空比的熱穩(wěn)定工作條件下，測(cè)量電路內(nèi)的電流感測(cè)電阻、PWM FET阻抗及累積串聯(lián)動(dòng)態(tài)阻抗見(jiàn)下圖14。

圖14:電流感測(cè)反饋網(wǎng)絡(luò)的電路內(nèi)小信號(hào)響應(yīng)

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

圖12中所示的LED調(diào)光電路的1000:1 200 Hz PWM調(diào)光工作波形如圖15所示。VC波形上有少許補(bǔ)償電容電壓放電，這是Q9雙向開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間與透過(guò)D19的PWM鉗位激活之間的競(jìng)爭(zhēng)條件產(chǎn)生的結(jié)果。電阻R29被引入，與鉗位二極管D19串聯(lián)連接，以限制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電荷耗盡。VFB波形維持想要的數(shù)字波形及幅值(無(wú)模擬調(diào)光)。

PWM信號(hào)指令轉(zhuǎn)為低態(tài)后出現(xiàn)額外短路持續(xù)時(shí)間GDRV波形(第6個(gè)脈沖)，這是NCV887300內(nèi)部邏輯傳播延遲響應(yīng)時(shí)間的結(jié)果。此額外脈沖的能量有利于幫助維持輸出升壓電容中的電荷，因?yàn)樗a(bǔ)償了深度PWM調(diào)光工作模式期間的某些寄生漏電流能量損耗。

圖15:1000:1 200 Hz深度調(diào)光工作

第三部分：結(jié)論

本方案分兩部分進(jìn)行，第1部分介紹的驅(qū)動(dòng)LED串的DCM升壓轉(zhuǎn)換器的理論小信號(hào)響應(yīng)等式;在第2部分中有效地應(yīng)用于分析LED PWM調(diào)光電路。方案中探討了200 Hz 1000:1深度調(diào)光能力的實(shí)際層面問(wèn)題。最后運(yùn)用仿真和測(cè)量結(jié)果，與忽略相位誤差的情況進(jìn)行比較得到1000:1 200 Hz PWM工作波形顯示出了極佳的工作性能。從而也證實(shí)了本方案的實(shí)用性。