高亮度白光LED驅動(dòng)典型方案

1 前言

　　由于世界上日趨嚴重的能源危機，發(fā)光二極管（LED）作為一種高效率光源得到了高度重視，不僅消費電子產(chǎn)品中的手機、PDA、液晶電視等的背光光源中已普遍應用白光LED，在公共交通信號標志，工業(yè)通信照明系統、汽車(chē)燈具以及用量巨大的普通工業(yè)與民用照明領(lǐng)域也將獲得廣泛應用。作為光源，LED的優(yōu)勢主要體現在三個(gè)方面：節能、環(huán)保和長(cháng)壽耐用。首先，LED的能耗理論上僅為白熾燈的10%，熒光燈的50%;在使用壽命方面，LED是利用固體發(fā)光，耐震、耐沖擊、不易破碎，預期壽命可達10萬(wàn)小時(shí)。在環(huán)保方面，由于在生產(chǎn)環(huán)節中不使用汞等易污染物，廢棄物可回收無(wú)污染。

　　LED應用中的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵是提供與其特性相適應的電源或驅動(dòng)電路。在照明應用中，現今的高亮度白光LED的工作電流可達150mA~3A，導通壓降高達3~5V，以提供更高的亮度。由于功率的增加，傳統的電阻限流，線(xiàn)性調節，電荷泵的驅動(dòng)方法的效率受原理的限制已無(wú)法進(jìn)一步提高，PWM開(kāi)關(guān)電源型的直流變換器就成為首選的LED驅動(dòng)解決方案。本文提出一種應用于升壓LED驅動(dòng)電路的控制器的芯片，考慮到LED是典型的電流型器件，電流的波動(dòng)會(huì )影響其發(fā)光效率和色彩，而電流超過(guò)額定值將損害其壽命與可靠性。因此，在LED驅動(dòng)中電流模式控制具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。而且PWM控制技術(shù)發(fā)展至今，其電流控制模式也已發(fā)展出多種模式。相對于環(huán)路設計較為復雜的平均電流控制模式和電磁干擾問(wèn)題較多的遲滯電流控制模式，峰值電流控制模式環(huán)路設計較為簡(jiǎn)單，且可以有效地限制電流。

　　考慮到上述因素，芯片在設計中采用了峰值電流控制模式，并集成了斜坡補償電路，使之具有較寬的電壓工作范圍（3~16V）。本文首先給出了整個(gè)控制系統的建模與環(huán)路補償設計，接下來(lái)針對LED調光的要求在傳統的峰值電流模式控制器模塊的基礎之上設計數字調光功能的模塊。第三部分介紹了芯片中的無(wú)采樣電阻的控制功能電路，實(shí)現直接通過(guò)采樣功率開(kāi)關(guān)管漏源電壓，即Rds（on）采樣來(lái)采樣電流，減少了采樣電阻上的損耗，可以有效地提高系統的效率。最后給出控制芯片的系統結構、版圖和各種模式下的測試結果。

　　2 系統建模與環(huán)路補償設計

　　升壓型LED驅動(dòng)電路以及控制環(huán)路圖如圖1所示。通過(guò)電阻Rs1采樣負載LED電流輸入電壓誤差放大器（EA），誤差放大器的輸出經(jīng)過(guò)補償網(wǎng)絡(luò )輸出作為電流峰值比較器的基準，電阻Rs2采樣開(kāi)關(guān)管S1上的電流輸入比較器的正端，Ramp是峰值電流控制中的斜坡補償電流。時(shí)鐘信號CLK確定開(kāi)關(guān)頻率與開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通，當電流信號大于設定的閾值時(shí)，比較器的輸出變高觸發(fā)邏輯電路翻轉開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。

　　圖1 升壓型LED驅動(dòng)電路控制圖

　　可建立如圖2所示的小信號模型電路。對于升壓型的功率級電路，利用狀態(tài)空間平均法可以得到原功率級兩個(gè)重要的傳遞函數Gvd（s），Gid（s）并根據圖中模型可以推導出輸出電壓對指令電流信號的等效功率級傳函Ap（s）。

　　圖2 峰值電流模式控制小信號模型

　　其中Fm=1/MaTs，Fv=D‘2Ts/2L，Ma是斜坡補償電流的斜率，L是濾波電感，Ts是開(kāi)關(guān)周期，D是穩態(tài)占空比?？紤]整個(gè)環(huán)路的傳遞函數T（s）；