用于高亮度LED控制的遲滯型轉(zhuǎn)換器

1、用于高亮度led控制的遲滯型轉(zhuǎn)換器遲滯型轉(zhuǎn)換器(hysteretic converter)被廣泛用于驅(qū)動(dòng)新興照明應(yīng)用中的。這種轉(zhuǎn)換器十分簡單用法，其拓樸結(jié)構(gòu)也相當(dāng)穩(wěn)定，因此已經(jīng)成為高效式開關(guān)穩(wěn)壓器解決計(jì)劃的首選。這種容易拓樸可以用在許多不同配置中，有時(shí)甚至可以超越普通的用法范圍。不過仍有不少問題需要解決，而了解這種轉(zhuǎn)換器的局限性也有助于提高系統(tǒng)性能。本文將透過不同配置實(shí)例具體介紹這種轉(zhuǎn)換器的拓樸結(jié)構(gòu)，并研究一些內(nèi)在問題，以及這些問題對某些特別應(yīng)用的影響。拓樸結(jié)構(gòu)遲滯型轉(zhuǎn)換器事實(shí)上采納的是一種開關(guān)(on-off)拓樸結(jié)構(gòu)。它可以用在降壓、升壓或降壓-升壓配置中，而其超強(qiáng)的穩(wěn)定性使它最適合用于降壓

2、型led驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，由于遲滯型轉(zhuǎn)換器可以在一個(gè)振蕩周期內(nèi)穩(wěn)定下來，而像控制器通常需要數(shù)十個(gè)周期才干穩(wěn)定下來。遲滯型轉(zhuǎn)換器的特性體現(xiàn)在控制機(jī)制、精密度、頻率、工作周期和傳揚(yáng)延遲等方面。參考圖1，控制是基于預(yù)先確定滯后的而實(shí)現(xiàn)的。led中的通常用(rsense)測量，其數(shù)值普通在比較器設(shè)定的上下閾值之間變幻。閾值的設(shè)置要在測量精密度/抗噪音性能和效率之間取得平衡。典型的滯后電壓在50mv到250mv之間。圖1：遲滯型降壓轉(zhuǎn)換器。振蕩頻率則取決于許多因素，其中電感的挑選是最重要的。遲滯型轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵特點(diǎn)之一是其自振蕩的特性。這意味著頻率將隨輸入電壓、led電流和必需驅(qū)動(dòng)的led數(shù)量變幻而轉(zhuǎn)變。然而，這

3、種轉(zhuǎn)換器常常執(zhí)行在延續(xù)模式，這意味著電感永久不會(huì)飽和，也不會(huì)徹低耗盡電流。這種固有的穩(wěn)定性意味著遲滯型轉(zhuǎn)換器可以運(yùn)作在寬廣的電壓范圍，不需要用外部組件舉行補(bǔ)償。就像許多pwm拓樸一樣，這種轉(zhuǎn)換器對工作周期范圍也沒有限制。然而，工作周期的確會(huì)影響精密度。工作周期主要受制于輸入電壓和輸出電壓的比值，而輸入輸出電壓比又取決于特定輸入電壓所驅(qū)動(dòng)的led數(shù)量。例如30v的高輸入電壓驅(qū)動(dòng)單個(gè)3v led的狀況，此時(shí)的工作周期是10%。而30v電壓驅(qū)動(dòng)9個(gè)3v led(27v正向電壓)時(shí)的工作周期為90%。其次種狀況會(huì)有較高的效率。這兩種特例都存在這樣的問題，即led電流是從50%工作周期的滯后(紋波)檢測

4、電壓平均得到的，近似于三角關(guān)系。在這種極限工作周期狀況下，傳揚(yáng)延遲和過沖等因素會(huì)導(dǎo)致電流與要求值產(chǎn)生偏差，2所示。當(dāng)工作周期小于20%或大于80%時(shí)，通常不太可能做到嚴(yán)格的電流控制。圖2：在用法遲滯型降壓dc/dc轉(zhuǎn)換器調(diào)光led時(shí)需要考慮的精密度因素。傳揚(yáng)拖延和升高時(shí)光也會(huì)影響轉(zhuǎn)換器運(yùn)作的最大頻率、精密度和自散熱效果。隨著頻率的升高，轉(zhuǎn)換損耗將超過直流損耗而成為開關(guān)組件功率損耗的主要部份，對任何開關(guān)型拓樸來說這都是必定的。以pwm調(diào)光led的精密度考慮為了避開轉(zhuǎn)變led色彩，并提供更寬亮度范圍的調(diào)光，pwm是用于led調(diào)光的首選辦法。然而，要想用法電感式遲滯型轉(zhuǎn)換器，并在囫圇辨別率范圍內(nèi)保持

5、較高的精密度，有許多因素需要加以考慮。簡化的白色led驅(qū)動(dòng)電路1所示。在這種轉(zhuǎn)換器中，不需要用法輸出濾波器，led是與電感串聯(lián)在一起的。這種電路在啟動(dòng)速度和成本方面具有優(yōu)勢。然而，因?yàn)槿鄙佥敵?，能量只能被?chǔ)存在電感中。在調(diào)光時(shí)，全部能量必需在切斷周期內(nèi)耗散，并在導(dǎo)通周期內(nèi)儲(chǔ)存起來。圖3a代表led中的電流。當(dāng)施加供電電壓時(shí)，內(nèi)部開關(guān)導(dǎo)通，流經(jīng)檢測電阻、led、電感和開關(guān)的電流從零向上閾值i(sub/)up(/sub)躍升。當(dāng)電流達(dá)到上閾值時(shí)，電流又開頭向下閾值i(sub/)lo(/sub)下降，到達(dá)下閾值后再向i(sub/)up(/sub)躍升。上下閾值取決于檢測電阻和內(nèi)部參考電壓。圖3a&a

6、mp;3b：pwm調(diào)光。圖3b所示的pwm波形是用于控制led亮度的8位訊號中之最高位。對于抱負(fù)的調(diào)光電路來說，將pwm訊號驅(qū)動(dòng)到高位及時(shí)將導(dǎo)致電路實(shí)時(shí)振動(dòng)，此時(shí)平均值等于i(sub/)avg(/sub)，當(dāng)pwm訊號驅(qū)動(dòng)到低位及時(shí)電流立刻降低到零。圖3a中的曲線顯示，有兩項(xiàng)因素會(huì)導(dǎo)致輸出電流誤差，中陰影區(qū)的指示。在初始升高(藍(lán)色陰影)期間電流應(yīng)等于i(sub/)avg(/sub)，由于這段時(shí)光的平均電流很低。同樣，在最后的下降期間電流應(yīng)等于0，但綠色陰影區(qū)顯示事實(shí)不是這樣。假如led電流的工作周期等于50%，那么升高/下降擺率是相同的，這兩個(gè)誤差也不會(huì)存在，但實(shí)際工作周期常常不是50%。假如

7、在pwm導(dǎo)通周期內(nèi)轉(zhuǎn)換器執(zhí)行許多次振蕩，那么這些誤差效應(yīng)將可以忽視。在較高pwm工作周期時(shí)，因?yàn)閘ed響應(yīng)和人眼的緣由，一些小誤差可能覺察不出來，但在十分低的pwm工作周期時(shí)，誤差就變得十分突出。圖4和圖5給出了低pwm工作周期時(shí)，輸出電流精密度隨pwm與轉(zhuǎn)換器振蕩頻率比值的變幻。圖中的每根線代表了不同的轉(zhuǎn)換器振蕩頻率，pwm頻率是100hz，x軸代表pwm工作周期，y軸代表平均輸出電流在位辨別率方面的誤差。圖4：輸出電流誤差：8位辨別率，100hz pwm。圖5：輸出電流誤差：12位辨別率，200hz pwm。讓我們以48v電壓供電并透過100h電感驅(qū)動(dòng)3.5w白色led的zxld1362

8、led驅(qū)動(dòng)器為例。假如是200hz的pwm調(diào)光到10位辨別率，那么輸出電流精密度如表1所示。表1：pwm頻率和辨別率對輸出電流精密度的影響。當(dāng)pwm調(diào)光遲滯型轉(zhuǎn)換器時(shí)，pwm頻率與轉(zhuǎn)換器頻率之比打算了低輸出電流的精密度。為了得到最高的精密度，建議這個(gè)比值要遠(yuǎn)大于調(diào)光步數(shù)，也就是說，一個(gè)pwm位的周期應(yīng)遠(yuǎn)大于一個(gè)轉(zhuǎn)換器的周期時(shí)光。按照閱歷顯示，對于n位的調(diào)光，led遲滯開關(guān)頻率應(yīng)大于pwm頻率的2n倍，最好是大于2(n+2)倍。關(guān)鍵的折衷措施之一是避開低頻pwm調(diào)光和所需精密度帶來的頻閃效應(yīng)，特殊是在低亮度狀態(tài)或pwm頻率相對轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率增強(qiáng)時(shí)。提高pwm調(diào)光精密度的辦法之一是在led上用法旁

9、路組件，例6所示的pmos。透過這種方式，電感電流將持續(xù)流淌，因而消退升高和下降誤差，提高精密度，不過效率有所降低。圖6：用法旁路pmos實(shí)現(xiàn)pwm調(diào)光。調(diào)節(jié)輸入電壓舉行直流調(diào)光直流調(diào)光通常很少用于控制高亮度led，這是因?yàn)閘ed色溫變幻的緣由。白色led是從藍(lán)色led激發(fā)的磷物質(zhì)產(chǎn)生色彩，在這種狀況下，色彩受led電流的影響很小。對于建造和氛圍照明來說，色彩的再現(xiàn)可能不太重要，即使色彩隨著亮度削減而略微有些變幻。在任何狀況下，白色led在調(diào)光時(shí)的色彩變幻程度都遠(yuǎn)小于同樣調(diào)光白熾燈時(shí)的色彩變幻。許多開關(guān)控制器并未提供很好的調(diào)光范圍，通常從最大值的降幅為10:1。由于眼睛對于曲線的反應(yīng)呈對數(shù)方式

10、，因此電流的10:1調(diào)光變幻無法產(chǎn)生令人愜意的亮度降低效果，看起來只是達(dá)到最高亮度的一半。圖7所示的電路辦法充分利用了遲滯拓樸的容易性、內(nèi)在穩(wěn)定性和靈便性，可產(chǎn)生約50:1的直流調(diào)光范圍。圖7：用于高效直流輸入電壓調(diào)光控制的電路。在某些建造應(yīng)用中，透過降低輸入電壓舉行調(diào)光極具優(yōu)勢。只需一個(gè)電阻串聯(lián)一個(gè)led的容易電路就能達(dá)到抱負(fù)的效果，但假如用12v電壓驅(qū)動(dòng)5w led，那么在最大亮度時(shí)電阻上的功耗約為10w。圖7所示電路可以產(chǎn)生抱負(fù)的效果，即隨著兩個(gè)輸入端上電壓的降低，電流將有效地降低，且同時(shí)仍能保持對電流的控制。轉(zhuǎn)換器以保持vin和isense端之間平均100mv的電壓來控制電流。在該位置

11、正常惟獨(dú)一個(gè)電阻。將adj接腳與p通道m(xù)osfet銜接就能使該電路工作。這個(gè)mosfet有很小的訊號內(nèi)電阻，將增強(qiáng)vin和isense端子之間的正常固定電阻。在低電壓時(shí)，mosfet的rds(導(dǎo)通)主導(dǎo)有效電阻。在較高電壓時(shí)，透過提高adj接腳電壓即可提升整體電流，因而最大化動(dòng)態(tài)范圍。不同mosfet組件的rds(導(dǎo)通)有約20%的差異。實(shí)際應(yīng)用中的總檢測電阻變幻約為10%，這意味著用相同降幅的電壓驅(qū)動(dòng)的不同led燈之間存在差異。led在亮度與電流特性方面也有變幻。rds(導(dǎo)通)變幻的影響程度取決于它占總檢測電阻的比例。在較低電流時(shí)工作頻率會(huì)升高，因而導(dǎo)致效率下降，但這個(gè)問題不嚴(yán)峻，由于led

12、功率很低。這種方式可以實(shí)現(xiàn)更平順的調(diào)光控制，而且除了正常裝配在led燈上的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接腳外，也沒有其它要求。對于檢測電阻的兩個(gè)值測量的結(jié)果8所示，電路見圖7。圖8：圖7電路中l(wèi)ed電流與輸入電壓的關(guān)系。共陽極銜接對于降壓led控制器來說，最好用法高側(cè)電流檢測方式，此時(shí)led位于電流檢測電阻和電感之后。遲滯轉(zhuǎn)換器的容易特性提供了共陽極的led驅(qū)動(dòng)計(jì)劃。這種共陽極電路見圖9，它將led的正極挺直連到電源上。led燈仍與檢測電阻(rsense)和電感串聯(lián)在一起，因此仍可確保遲滯型轉(zhuǎn)換器正常工作。共陽極的稱呼通常指的是單個(gè)led(或并聯(lián)led組)的配置，但這個(gè)概念可以擴(kuò)展到串聯(lián)led或分享同一v+電壓軌

13、的多個(gè)led鏈。圖9：共陽極拓樸。這種配置主要在電路性能方面具有不少優(yōu)勢，而且在安裝方便性和系統(tǒng)中組件數(shù)量方面也有顯然優(yōu)勢。從性能角度看，這種電路在負(fù)載調(diào)節(jié)率方面比標(biāo)準(zhǔn)降壓拓樸已有所改進(jìn)。而且這種電路的開關(guān)頻率較低，因而削減了開關(guān)的功率損耗，提高了效率。對于多l(xiāng)ed串系統(tǒng)來說熱管理也更容易了，由于全部正極都接在一個(gè)散熱器上，具有相同的電位，10所示。最后，因?yàn)檩斎攵说碾妷鹤兓梅茸冃×?，共陽極配置還允許用法更小的輸入電容器。圖10：用法共陽極拓樸的多通道led控制。共陽極拓樸結(jié)構(gòu)簡化了led燈箱廣告和燈墻應(yīng)用的安裝，驅(qū)動(dòng)器通常在遠(yuǎn)程就與led串分開來。在這種狀況下，每一led串的第一個(gè)正極被挺直連至電源上，因此只需一根線就可以銜接全部的led串。不過，仍需用法另外一根線銜接每一led串的負(fù)極?？傊?，共陽極拓樸不僅節(jié)約了走線，而且削減了組件數(shù)量。通常必需為led燈并聯(lián)一個(gè)電容器以便削減led上的紋波電壓，而在共陽極銜接中就不須要再這樣做，由于輸入電容器已經(jīng)解決了這個(gè)問題。值得注重的是，經(jīng)過遲滯型轉(zhuǎn)換