補償及測量高功率LED驅動(dòng)器的控制回路

　　數學(xué)模型一直都有助于判定特定設計的最佳補償組件，然而，補償 WLED 電流調節升壓轉換器的情況，則與補償被設定為調節電壓的相同轉換器略微不同。以傳統的方法測量控制回路相當不便，因為回饋 (FB) 引腳的阻抗不高，而且缺乏上端 FB 電阻。在參照 1 中，Ray Ridley 展示了簡(jiǎn)易小信號控制回路模型，適用于具備電流模式控制的升壓轉換器。下文說(shuō)明 Ridley 模型應如何修改才能適用于 WLED 電流調節升壓轉換器，同時(shí)，也將說(shuō)明如何測量升壓轉換器的控制回路。

　　回路組件

　　如圖 1 所示，為了從輸入電壓提供較高或較低的調節輸出電壓，任何可調式 DC/DC 轉換器都能夠加以修改。在這類(lèi)配置中，如果假設 ROUT 純粹是電阻負載，則 VOUT = IOUT × ROUT。當DC/DC 轉換器用來(lái)給 LED 供電時(shí)，它會(huì )借著(zhù)調節下端 FB 電阻控制通過(guò) LED 的電流，如圖 2 所示。由于負載本身 (LED) 取代上端 FB 電阻的緣故，傳統的小信號控制回路公式不再適用。DC 負載阻抗為

　　而且

　　從二極管資料表或從測量得出的 VFWD 是 ILED 的正向電壓，而 n 是串聯(lián)的 LED 數量。

圖 1. 用于調節電壓的可調式 DC/DC 轉換器

圖 2. 用于調節 LED 電流的可調式 DC/DC 轉換器

　　然而，從小信號的角度來(lái)看，負載阻抗包含 REQ 以及位于 ILED 的 LED 動(dòng)態(tài)阻抗 rD。雖然某些 LED 制造商提供不同電流量的rD標準 值，不過(guò)判定 rD 的最好方法是從所有制造商提供的 LED I-V 標準曲線(xiàn)得出該值。圖 3 顯示 OSRAM LW W5SM 高功率 LED 的I-V 曲線(xiàn)范例。rD 值是動(dòng)態(tài) (或小信號) 數量，其定義為電壓變化除以電流變化，也就是 rD = ΔVFWD/ΔILED。若要從圖 3 得出 rD，只需要從 VFWD 與 ILED 的起始處畫(huà)出筆直的切線(xiàn)，然后計算斜率。舉例來(lái)說(shuō)，使用圖 3 中切出的虛線(xiàn)，即可得出 rD = (3.5 – 2.0 V)/(1.000 – 0.010 A) = 1.51 W，而且 ILED = 350 mA。

圖 3. OSRAM LW W5SM 的 I-V 曲線(xiàn)

　　小信號模型

　　對于小信號模型，此處將以TPS61165 峰值電流模型轉換器為例，它能驅動(dòng) 3 個(gè)串聯(lián)的 OSRAM LW W5SM 零件。圖 4a 顯示電流調節升壓轉換器的同等小信號模型，而圖 4b 顯示較為簡(jiǎn)化的模型

　　以及

表 1. 公式 3中兩種轉換器模型的差異

　　計算兩種電路的負載周期 D 以及 VOUT 與 REQ 的修改值所使用的方式都相同。Sn 及 Se 分別是升壓轉換器的自然形成電感斜率與補償斜率，而 fSW 是切換頻率。關(guān)于電壓調節升壓轉換器的小信號模型與電流調節升壓轉換器的模型，兩者之間真正的差異來(lái)自乘以跨導用項 (1 – D)/Ri 的抗阻 KR 以及主要電極 wp。這些差異已在表 1 予以概述。詳細信息請見(jiàn)參照 1。由于在調節電壓的轉換器中， RSENSE 值一般遠低于 ROUT 值，因此，電流調節轉換器的增益 (其中 ROUT = REQ) 幾乎都低于電壓調節轉換器的增益。

　　測量回路

　　若要測量控制回路增益與電壓調節轉換器的相位，網(wǎng)絡(luò )或專(zhuān)用回路增益/相位分析儀一般會(huì )使用 1:1 變壓器將小信號通過(guò)小阻抗 (RINJ) 注入回路中。然后，分析儀便會(huì )根據頻率測量并比較 A 點(diǎn)的注入信號與 R 點(diǎn)的回傳信號，之后，報告幅度差異 (增益) 與時(shí)間延遲 (相位) 的比例。只要 A 點(diǎn)的阻抗遠低于 R 點(diǎn)的阻抗，即可在回路中的任一處插入此阻抗，否則注入的信號會(huì )過(guò)大，因而干擾轉換器的運作點(diǎn)。如圖 5 所示，高阻抗節點(diǎn)是一般插入此阻抗的位置，也是 FB 電阻在輸出電容 (低阻抗節點(diǎn)) 偵測輸出電壓的地方。

圖 5. 電壓調節轉換器的控制回路測量

　　在電流調節配置中，如果負載本身是上端 FB 電阻，則無(wú)法通過(guò)與 LED 串聯(lián)的方式將注入電阻插入。轉換器的運作點(diǎn)必須先予以變更，才能將電阻插入于FB 引腳與感應電阻之間，如圖 6 所示。在某些情況下，可能需要非反向單位增益緩沖放大器，以降低注入點(diǎn)的阻抗，并減少測量噪聲。

圖 6. 電流調節轉換器的控制回路測量

　　用來(lái)測量回路的是Venable回路分析儀，它與圖 6 中的測量設定相同但不含放大器，而且 RINJ = 51.1 W。電流調節轉換器的模型是以 Mathcad? 構建，并且使用 TPS61170 的數據表設計參數，其中的核心與 TPS61165 相同。當 VIN = 5 V 且 ILED 經(jīng)設定為 350 mA 時(shí)，該模型會(huì )產(chǎn)生 TPS61165EVM 的預期回路響應，如圖 7 所示，可便于與測得的數據進(jìn)行比較。

圖 7. 在 VIN = 5 V 且 ILED = 350 mA 的情況下所測得及模擬的回路增益與相位

　　觀(guān)察 WLED 動(dòng)態(tài)阻抗的變化，并參照 IC 放大器增益中標準 LED I-V 曲線(xiàn)及芯片間變化，便不難解釋所測得及模擬增益兩者之間的差異。

　　結論

　　數學(xué)模型雖然并非全然準確，但不失為設計人員設計 WLED 電流調節升壓轉換器時(shí)可以運用的初步方法。設計人員也能夠以其中一種方法測量控制回路。