一種滯環(huán)控制的LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

0 引言

LED 的發(fā)光效率目前已經(jīng)達(dá)到并且正在超過(guò)熒光燈.HID 燈等傳統(tǒng)光源的水平，在通用照明領(lǐng)域?qū)⒅饾u成為主流光源.由于LED 照明光源具有高光效.長(zhǎng)壽命.節(jié)能環(huán)保，耐用等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)LED 應(yīng)用以及驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn).在相同工作電壓下，LED的正向?qū)▔航狄蚴芄に囯x散性的影響而呈現(xiàn)出一定的差異，所以恒流驅(qū)動(dòng)是白光LED 的最佳選擇.目前的電流控制方式主要有峰值電流控制，滯環(huán)控制，平均電流控制，和固定導(dǎo)通時(shí)間控制(COT)等控制方法.主流的峰值電流控制存在平均電流和峰值電流不一致的問(wèn)題;且當(dāng)電路占空比大于0.5時(shí)，有次諧波震蕩現(xiàn)象，需要增加斜坡補(bǔ)償電路，因此增加了電路復(fù)雜性.平均電流模式能精確控制平均電流，但是控制方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且仍需斜坡補(bǔ)償電路.滯環(huán)電流控制模式中，LED的平均驅(qū)動(dòng)電流值由內(nèi)設(shè)閾值Imax和Imin決定，不存在類似于峰值電流控制模式問(wèn)題，能較好地解決峰值電流控制的缺點(diǎn)，且無(wú)需額外斜坡補(bǔ)償電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.滯環(huán)控制具有自穩(wěn)定性.動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛.

有人設(shè)計(jì)的滯環(huán)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，但無(wú)調(diào)光電路設(shè)計(jì).有人提出一種滯環(huán)跟蹤控制電路，對(duì)電路進(jìn)行仿真與理論分析，但電路無(wú)調(diào)光功能，且主電路為傳統(tǒng)的降壓電路，MOS 管驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)困難.此外電路還采用D觸發(fā)器限制頻率抖動(dòng)范圍，但同時(shí)也限制了電路的帶負(fù)載能力，且瞬態(tài)響應(yīng)變差.

本文在基礎(chǔ)上，采用新的降壓電路，去掉了D 觸發(fā)器，設(shè)計(jì)了一款帶有數(shù)字PWM 調(diào)光的LED 驅(qū)動(dòng)電路.

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

本文設(shè)計(jì)的滯環(huán)LED 驅(qū)動(dòng)電路由主電路.電流檢測(cè)電路，滯環(huán)控制電路三個(gè)部分組成.當(dāng)MOS 管導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管D截止，電感L 電流上升，取樣電阻Rs兩端電壓差值變大，將此電壓差值通過(guò)差分放大電路，反饋至滯環(huán)控制電路，與滯環(huán)控制電路設(shè)定的閾值電壓VH或VL相比較.如圖1所示，當(dāng)電壓達(dá)到滯環(huán)控制系統(tǒng)的電壓的上限值VH 時(shí)，比較器輸出電平翻轉(zhuǎn)，關(guān)斷MOS管，由于電感電流iL 不能突變，此時(shí)感應(yīng)出一個(gè)反向電壓，續(xù)流二極管D導(dǎo)通.電感放電，當(dāng)放電至電壓低于滯環(huán)控制系統(tǒng)的電壓的下限VL 時(shí)，比較器電壓翻轉(zhuǎn)，MOS 管導(dǎo)通，循此反復(fù)，限制了電感電流的峰值和谷值，從而達(dá)到了控制LED電流平均值.

1.2 電路分析滯環(huán)控制的LED 驅(qū)動(dòng)電路主要由主電路，電流檢測(cè)電路，滯環(huán)控制電路，以及數(shù)字調(diào)光電路組成.如圖2中主電路由RS,電感L,續(xù)流二極管D,開(kāi)關(guān)器件MOS,以及負(fù)載LED.Vi為輸入電壓，RS為檢測(cè)電阻.電路穩(wěn)定時(shí)，忽略續(xù)流二極管與Rs的導(dǎo)通壓降可得：

式中：Vi 為輸入電壓，Vo 為L(zhǎng)ED 兩端電壓，Ton 為導(dǎo)通時(shí)間，Toff為關(guān)斷時(shí)間.

由式(1)可得：

電流檢測(cè)電路為高邊電流檢測(cè)電路[5-7],滯環(huán)控制電路為電路的核心.有人分析了電流檢測(cè)電路以及滯環(huán)跟蹤電路，并進(jìn)行了仿真分析.

將滯環(huán)控制電路的輸出邏輯信號(hào)與數(shù)字調(diào)光信號(hào)相與，可得到調(diào)制的PWM 調(diào)光信號(hào)，控制MOS 管的導(dǎo)通與截止，實(shí)現(xiàn)數(shù)字PWM調(diào)光.

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 關(guān)鍵點(diǎn)波形測(cè)試

在上述分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行驗(yàn)證，電路參數(shù)為：RS取0.5 Ω，電感L的值為220 μH,續(xù)流二極管為SS34,開(kāi)關(guān)MOS管選用IRFR024,電流檢測(cè)器采用LM358通用運(yùn)放，比較器選用LM393,與非門(mén)用74HC00,MOS 驅(qū)動(dòng)選用UCC27524D,R1=R2=4.7 kΩ，R3=R4=47 kΩ，R7=500 Ω，R6采用3個(gè)200 Ω電阻并聯(lián)，R5=910 Ω.

圖3(a)所示為實(shí)驗(yàn)電路占空比較大時(shí)，通過(guò)LED電流iRS 與MOS 管門(mén)極電壓VGS 波形圖.圖3(b)為占空比較小時(shí)，通過(guò)LED電流iRS與MOS管門(mén)極電壓VGS波形圖.通道1為電流探頭測(cè)得通過(guò)LED的電流波形，通道2為MOS管門(mén)極電壓VGS波形.