迟滞型转换器控制高亮LED分析

作者：时间：2011-06-03 来源：网络收藏

迟滞型转换器被广泛用于驱动新兴照明应用中的LED。这种转换器非常容易使用，其拓扑结构也相当稳定，因此已经成为高效感应式开关稳压器解决方案的首选。这种简单拓扑可以用在许多不同配置中，有时甚至可以超越它们的一般使用范围。不过仍有不少问题需要解决，而理解这种转换器的局限性也有助于提高系统性能。

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/179039.htm

　　本文将通过不同电路配置实例详细介绍这种转换器的拓扑结构，并讨论一些内在的问题及这些问题对某些特殊应用的影响。

　　拓扑结构

迟滞型转换器实际上采用的是一种开关(on-off)拓扑结构。它可以用在降压、升压或降压-升压配置中，而它的超强稳定性使它最适合用于降压型LED驱动应用，因为迟滞型转换器可以在一个振荡周期内稳定下来，而像PWM控制器通常需要数十个周期才能稳定下来。迟滞型转换器的特性体现在控制机制、精度、频率、占空比和传播时延等方面。

　　参考图1，控制是基于预先确定滞后电压的比较器而实现的。LED中的电流通常用电阻(Rsense)测量，其数值一般在比较器设定的上下门限值之间变化。门限值的设置要在测量精度/抗噪声性能和效率之间取得平衡。典型的滞后电压在50mV到250mV之间。

　　图1：迟滞型降压转换器。

　　振荡频率则取决于许多因素，其中电感选择是最重要的。迟滞型转换器的关键特点之一是：它们是自振荡的。这意味着频率将随输入电压、LED电流和要驱动的LED数量的变化而变化。然而，这种转换器经常运行在连续模式，这意味着电感永远不会饱和，也不会完全耗尽电流。这种固有的稳定性意味着迟滞型转换器可以工作在很宽的电压范围，不需要用外部元件进行补偿。就像许多PWM拓扑一样，这种转换器对占空比范围也没有限制。

　　然而，占空比确实会影响精度。占空比主要受制于输入电压和输出电压的比值，而输入输出电压比又取决于给定输入电压所驱动的LED数量。例如30V的高输入电压驱动单个3V LED的情况，此时的占空比是10%。而30V电压驱动9个3V LED(27V正向电压)时的占空比为90%。第二种情况会有较高的效率。这两种特例都存在这样的问题，即LED电流是从50%占空比的滞后(纹波)检测电压平均得到的，近似于三角关系。在这种极限占空比情况下，传播时延和过冲等因素会导致电流与要求值产生偏差，如图2所示。当占空比小于20%或大于80%时，通常不太可能做到严格的电流控制。

图2：在使用迟滞型降压DC/DC转换器调光LED时需要考虑的精度因素。

　　传播时延和上升时间也会影响转换器工作的最大频率、精度和自散热效果。随着频率的上升，转换损耗将超过直流损耗而成为开关元件功率损耗的主要部分，对任何开关型拓扑来说这都是必然的。

　　采用PWM调光LED时的精度考虑

　　为了避免改变LED颜色，并提供宽亮度范围的调光，PWM是用于LED调光的首选方法。然而，要想使用感应式迟滞型转换器，并在整个分辨率范围内保持较高的精度，有许多因素需要加以考虑。

　　简化的白色LED驱动电路如图1所示。在这种转换器中，不需要使用输出滤波电容，LED是与电感串联在一起的。这种电路在启动速度和成本方面具有优势。然而，由于缺少输出电容，能量只能被储存在电感中。在调光时，所有能量必须在切断周期内泄放掉，并在导通周期内存储起来。

　　图3a代表LED中的电流。当施加供电电压时，内部MOSFET开关导通，流经检测电阻、LED、电感和开关的电流从零向上限值I(SUB/)UP(/SUB)跃升。当电流达到上限值时，电流又开始向下限I(SUB/)LO(/SUB)下降，到达下限值后再向I(SUB/)UP(/SUB)跃升。上下门限值取决于检测电阻和内部参考电压。

　　图3a3b：PWM调光。

　　图3b所示的PWM波形是用于控制LED亮度的8位信号的最高位。对于理想的调光电路来说，将PWM信号驱动到高将导致电路立即起振，此时平均值等于I(SUB/)AVG(/SUB)，当PWM信号驱动到低时电流立即降低到零。图3a中的曲线表明，有两大因素会导致输出电流误差，如图中阴影区指示的那样。在初始上升(蓝色阴影)期间电流应等于I(SUB/)AVG(/SUB)，因为这段时间的平均电流很低。同样，在最后的下降期间电流应等于0，但绿色阴影区表明事实不是这样。如果LED电流的占空比等于50%，那么上升/下降摆率是相同的，这两个误差也不会存在，但实际占空比经常不是50%。如果在PWM导通周期内转换器执行许多次振荡，那么这些误差效应将可以忽略。

　　在较高PWM占空比时，由于LED响应和人眼的原因，一些小误差可能觉察不出来，但在非常低的PWM占空比时，误差就变得非常突出。图4和图5给出了低PWM占空比时，输出电流精度随PWM与转换器振荡频率比值的变化。图中的每根线代表了不同的转换器振荡频率，PWM频率是100Hz，x轴代表PWM占空比，y轴代表平均输出电流在位分辨率方面的误差。