基于Buck的LED驅(qū)動(dòng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED技術(shù)也在不斷發(fā)展，為我們的生活帶來各種便利，為我們提供各種各樣生活信息，造福著我們?nèi)祟悺?duì)于LED照明的橫流應(yīng)用，如果對(duì)隔離沒有要求，并且輸出電流不大的話，那么Buck型結(jié)構(gòu)應(yīng)該是性價(jià)比最好的選擇。

首先，同等的功率級(jí)別以及輸入輸出規(guī)格下，Buck型電路中開關(guān)管的電壓應(yīng)力是最小的，實(shí)際承受的最大電壓即輸入直流母線電壓，因此500V耐壓的開關(guān)管即可滿足通用輸入范圍的要求。其次，Buck型電路的磁性器件也是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的，通常情況下只要一個(gè)繞組。當(dāng)然還有很多其他的優(yōu)點(diǎn)，希望大家能夠幫忙補(bǔ)充。

Buck型電路用于LED驅(qū)動(dòng)我接觸最早的應(yīng)該是HV9910，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的峰值電流模式PWM控制器，論壇曾有很多前輩討論它的是非。個(gè)人認(rèn)為，這個(gè)IC算是過時(shí)了，為了保證較好的電壓精度，對(duì)輸入輸出的變化范圍以及電感量的精度都有嚴(yán)格的要求。這次的帖子我打算以我接觸過的兩個(gè)用的比較多的IC來討論Buck型LED驅(qū)動(dòng)電路，它們是晶豐明源的BP2822以及占空比的DU8623。首先有必要聲明，這里僅作為技術(shù)交流，不涉及廣告成分。

上圖我簡(jiǎn)單畫了下幾種常見的Buck型結(jié)構(gòu)。第一種是高邊驅(qū)動(dòng)NMOS的方式。這種Buck型電路是在低壓DCDC中見得最多的。他的優(yōu)點(diǎn)是輸入輸出是共地的，并且公共端是系統(tǒng)電位最低點(diǎn)。在高壓Buck中，我們很少見到這種方式，原因在于高邊 NMOS需要自舉升壓浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)，高壓的驅(qū)動(dòng)電路太占芯片的面積了。所以可以想象，為什么一片高低邊驅(qū)動(dòng)器價(jià)格動(dòng)輒好幾塊錢。

第二種是高邊驅(qū)動(dòng)PMOS，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和第一種相同，也不需要自舉升壓驅(qū)動(dòng)，但卻是比較少見，原因在于PMOS的多子為空穴，遷移率低，造成PMOS的性能較差，另外，這種驅(qū)動(dòng)要以輸入為參考，同樣會(huì)比較復(fù)雜。第三種是高壓Buck型LED驅(qū)動(dòng)器中最為多見的，今天要說的兩個(gè)IC都是這種結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)很明顯：控制電路不需要承受高壓就能很好地完成對(duì)功率管的驅(qū)動(dòng)，因此IC的成本可以做到很低。而在LED以外的應(yīng)用中，我們幾乎不會(huì)這樣用，原因很簡(jiǎn)單，這種結(jié)構(gòu)的公共端是電源輸入正端，不符合我們的習(xí)慣。

說完上面這些，我們就來看看這些電路是如何來恒流的。首先，我們要搞清楚恒流的概念，恒的是負(fù)載的平均電流，對(duì)于Buck拓?fù)?，也就是電感的平均電流。?duì)于任何一種拓?fù)?，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感的電流都是先升到峰值，再降到谷值的，這個(gè)谷值可能大于 0(連續(xù)模式)，也可能等于0(斷續(xù)模式或者臨界模式)或者小于0(這種情況只會(huì)在同步整流的結(jié)構(gòu)中出現(xiàn))。如果是連續(xù)模式或者臨界模式，那么電感的平均電流就等于峰值電流加上谷值電流除以2，即：

Io_avg=IL_avg=(IL_peak+IL_valley)/2

如果要恒流，只要將電感的峰值電流和谷值電流定死就行。如下圖，對(duì)于低邊Buck型結(jié)構(gòu)，開關(guān)管開啟時(shí)，電流按照藍(lán)線方向流動(dòng)，電感電流逐漸上升，如果檢測(cè)Rcs上的電壓達(dá)到一定值(即電感電流達(dá)到一定值)時(shí)開關(guān)管關(guān)斷，那么峰值電流就定下來了。假設(shè)這個(gè)閾值為Vthh，那么峰值電流大小為：

IL_peak=Vthh/Rcs

接下來的開關(guān)周期內(nèi)，電感通過二極管D續(xù)流，如下圖所示。這就出現(xiàn)了一個(gè)問題，此時(shí)的電流不再流經(jīng)開關(guān)管，控制電路無法知道電流下降到何種程度了。

怎么辦?先看一下下面這個(gè)圖。用過臨界模式PWM控制IC的應(yīng)該很快能夠看出來，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在電感電流下降到0附近時(shí)重新打開開關(guān)管，也就是說，可以強(qiáng)迫電路工作在臨界工作模式。使用一個(gè)輔助繞組，開關(guān)管關(guān)斷期間，電感電流下降，輔助繞組感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)正電壓，當(dāng)電感電流下降為零時(shí)，感應(yīng)電壓消失，觸發(fā)開關(guān)管重新開啟。D1這個(gè)二極管是用來阻斷開關(guān)管開啟時(shí)輔助繞組上的反壓的，實(shí)際上我們可能看不到這個(gè)二極管，因?yàn)榭梢栽買C內(nèi)部A2的反相輸入端反向并接一個(gè)二極管到地，效果一樣的。

這個(gè)電路使得電感電流波形非常接近上圖的臨界模式，也就實(shí)現(xiàn)了輸出的恒流：

Io_avg=IL_avg=(IL_peak+IL_valley)/2=IL_peak/2

這就是BP2822的工作模式。大家會(huì)問，為什么BP2822的應(yīng)用中沒有這個(gè)輔助繞組?確實(shí)沒有，這個(gè)繞組肯定讓電感的加工變得復(fù)雜，成本會(huì)略微上升。那么它是如何檢測(cè)電感電流下降到零的呢。大家可以先想一下反激工作在斷續(xù)模式下，開關(guān)管漏極電壓在開啟前上一個(gè)周期內(nèi)的波形是什么樣的。沒錯(cuò)，會(huì)出現(xiàn)振蕩。那Buck型的會(huì)不會(huì)也有這樣現(xiàn)象呢?會(huì)。

大家看下圖。假設(shè)電流在t時(shí)刻過零，則t-時(shí)刻有：

Vds=Vcoss=Vin

在t+時(shí)，電感電流為零，C遠(yuǎn)大于Coss，C視為短路，則Coss與L構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，諧振頻率為

初始振蕩幅度為Vin。用saber仿一下，確實(shí)如此。

有這個(gè)振蕩，那就好辦了，只要檢測(cè)這個(gè)振蕩一開始，我們就把開關(guān)管重新開啟，那么久非常接近臨界工作模式了。甚至，我們可以檢測(cè)到這種振蕩到達(dá)谷值時(shí)將開關(guān)管開啟，那么就是我們所說的準(zhǔn)諧振(QR)了。但是仍然有問題。不涉及到IC的可能不知道，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)集成功率管的IC都是將控制部分的裸片和一個(gè)外置的功率管裸片封裝到一起的，也就是單片封裝，而不是單片集成。那么，功率管漏端和控制IC基本都是沒有連接關(guān)系的，那又如何取得這個(gè)振蕩信號(hào)呢?

這一點(diǎn)，還和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)相關(guān)。為了減小IC功耗，BP2822這類IC都是采用源極驅(qū)動(dòng)的方式。也就是說，芯片實(shí)際驅(qū)動(dòng)的是一個(gè)低壓的功率管，另外一個(gè)高壓功率管用來承受耐壓，下圖可以說明這一結(jié)構(gòu)。圖中也順帶給出了，使用一個(gè)二極管和電容，就可以得到這個(gè)振蕩信號(hào)。但是，這個(gè)二極管和電容是需要承受高壓的，放在IC內(nèi)部是不現(xiàn)實(shí)的，放在芯片外部，無疑增加了外圍的復(fù)雜度。

究竟是如何檢測(cè)的呢?再看下圖就知道了。下管的源漏寄生電容導(dǎo)致下管的漏端(即高壓管的源端)對(duì)地也會(huì)產(chǎn)生同樣波形的振蕩，這個(gè)振蕩是低壓的，檢測(cè)起來就方便了。

最后我們看一下這個(gè)系統(tǒng)該如何實(shí)現(xiàn)。下圖是我想出來的一種最簡(jiǎn)單的方式，當(dāng)然BP2822的內(nèi)部不一定是這么做的，但是估計(jì)也差不到哪里去。兩個(gè)比較器，為了簡(jiǎn)單起見，我接到了同一個(gè)參考電壓源上，一個(gè)用來檢測(cè)到峰值后觸發(fā)開關(guān)管關(guān)斷，一個(gè)用來檢測(cè)到振蕩后觸發(fā)開關(guān)管開啟。最后電感被迫工作在近似臨界模式下。

所以輸出電流的近似計(jì)算就成了：Io=Vref/2Rcs，對(duì)于BP2822，Vref=0.4V。最后的圖給出了相關(guān)的波形，大家可以自己對(duì)照。以上就是LED技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來的LED燈回越來越高效，使用壽命也會(huì)由很大的提升，為我們帶來更大便利。