遲滯型轉換器控制高亮LED分析
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
遲滯型轉換器被廣泛用于驅動(dòng)新興照明應用中的LED。這種轉換器非常容易使用，其拓撲結構也相當穩定，因此已經(jīng)成為高效感應式開(kāi)關(guān)穩壓器解決方案的首選。這種簡(jiǎn)單拓撲可以用在許多不同配置中，有時(shí)甚至可以超越它們的一般使用范圍。不過(guò)仍有不少問(wèn)題需要解決，而理解這種轉換器的局限性也有助于提高系統性能。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/179039.htm本文將通過(guò)不同電路配置實(shí)例詳細介紹這種轉換器的拓撲結構，并討論一些內在的問(wèn)題及這些問(wèn)題對某些特殊應用的影響。
拓撲結構
遲滯型轉換器實(shí)際上采用的是一種開(kāi)關(guān)(on-off)拓撲結構。它可以用在降壓、升壓或降壓-升壓配置中，而它的超強穩定性使它最適合用于降壓型LED驅動(dòng)應用，因為遲滯型轉換器可以在一個(gè)振蕩周期內穩定下來(lái)，而像PWM控制器通常需要數十個(gè)周期才能穩定下來(lái)。遲滯型轉換器的特性體現在控制機制、精度、頻率、占空比和傳播時(shí)延等方面。
參考圖1，控制是基于預先確定滯后電壓的比較器而實(shí)現的。LED中的電流通常用電阻(Rsense)測量，其數值一般在比較器設定的上下門(mén)限值之間變化。門(mén)限值的設置要在測量精度/抗噪聲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：遲滯型降壓轉換器。
振蕩頻率則取決于許多因素，其中電感選擇是最重要的。遲滯型轉換器的關(guān)鍵特點(diǎn)之一是：它們是自振蕩的。這意味著(zhù)頻率將隨輸入電壓、LED電流和要驅動(dòng)的LED數量的變化而變化。然而，這種轉換器經(jīng)常運行在連續模式，這意味著(zhù)電感永遠不會(huì )飽和，也不會(huì )完全耗盡電流。這種固有的穩定性意味著(zhù)遲滯型轉換器可以工作在很寬的電壓范圍，不需要用外部元件進(jìn)行補償。就像許多PWM拓撲一樣，這種轉換器對占空比范圍也沒(méi)有限制。
然而，占空比確實(shí)會(huì )影響精度。占空比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給定輸入電壓所驅動(dòng)的LED數量。例如30V的高輸入電壓驅動(dòng)單個(gè)3V LED的情況，此時(shí)的占空比是10%。而30V電壓驅動(dòng)9個(gè)3V LED(27V正向電壓)時(shí)的占空比為90%。第二種情況會(huì )有較高的效率。這兩種特例都存在這樣的問(wèn)題，即LED電流是從50%占空比的滯后(紋波)檢測電壓平均得到的，近似于三角關(guān)系。在這種極限占空比情況下，傳播時(shí)延和過(guò)沖等因素會(huì )導致電流與要求值產(chǎn)生偏差，如圖2所示。當占空比小于20%或大于80%時(shí)，通常不太可能做到嚴格的電流控制。
圖2：在使用遲滯型降壓DC/DC轉換器調光LED時(shí)需要考慮的精度因素。傳播時(shí)延和上升時(shí)間也會(huì )影響轉換器工作的最大頻率、精度和自散熱效果。隨著(zhù)頻率的上升，轉換損耗將超過(guò)直流損耗而成為開(kāi)關(guān)元件功率損耗的主要部分，對任何開(kāi)關(guān)型拓撲來(lái)說(shuō)這都是必然的。
采用PWM調光LED時(shí)的精度考慮
為了避免改變LED顏色，并提供寬亮度范圍的調光，PWM是用于LED調光的首選方法。然而，要想使用感應式遲滯型轉換器，并在整個(gè)分辨率范圍內保持較高的精度，有許多因素需要加以考慮。
簡(jiǎn)化的白色LED驅動(dòng)電路如圖1所示。在這種轉換器中，不需要使用輸出濾波電容，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，由于缺少輸出電容，能量只能被儲存在電感中。在調光時(shí)，所有能量必須在切斷周期內泄放掉，并在導通周期內存儲起來(lái)。
圖3a代表LED中的電流。當施加供電電壓時(shí)，內部MOSFET開(kāi)關(guān)導通，流經(jīng)檢測電阻、LED、電感和開(kāi)關(guān)的電流從零向上限值I(SUB/)UP(/SUB)躍升。當電流達到上限值時(shí)，電流又開(kāi)始向下限I(SUB/)LO(/SUB)下降，到達下限值后再向I(SUB/)UP(/SUB)躍升。上下門(mén)限值取決于檢測電阻和內部參考電壓。
圖3a3b：PWM調光。
圖3b所示的PWM波形是用于控制LED亮度的8位信號的最高位。對于理想的調光電路來(lái)說(shuō)，將PWM信號驅動(dòng)到高將導致電路立即起振，此時(shí)平均值等于I(SUB/)AVG(/SUB)，當PWM信號驅動(dòng)到低時(shí)電流立即降低到零。圖3a中的曲線(xiàn)表明，有兩大因素會(huì )導致輸出電流誤差，如圖中陰影區指示的那樣。在初始上升(藍色陰影)期間電流應等于I(SUB/)AVG(/SUB)，因為這段時(shí)間的平均電流很低。同樣，在最后的下降期間電流應等于0，但綠色陰影區表明事實(shí)不是這樣。如果LED電流的占空比等于50%，那么上升/下降擺率是相同的，這兩個(gè)誤差也不會(huì )存在，但實(shí)際占空比經(jīng)常不是50%。如果在PWM導通周期內轉換器執行許多次振蕩，那么這些誤差效應將可以忽略。
在較高PWM占空比時(shí)，由于LED響應和人眼的原因，一些小誤差可能覺(jué)察不出來(lái)，但在非常低的PWM占空比時(shí)，誤差就變得非常突出。圖4和圖5給出了低PWM占空比時(shí)，輸出電流精度隨PWM與轉換器振蕩頻率比值的變化。圖中的每根線(xiàn)代表了不同的轉換器振蕩頻率，PWM頻率是100Hz，x軸代表PWM占空比，y軸代表平均輸出電流在位分辨率方面的誤差。
圖4：輸出電流誤差：8位分辨率，100Hz PWM。
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