遲滯型轉(zhuǎn)換器控制高亮LED分析
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遲滯型轉(zhuǎn)換器被廣泛用于驅(qū)動新興照明應(yīng)用中的LED。這種轉(zhuǎn)換器非常容易使用，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也相當(dāng)穩(wěn)定，因此已經(jīng)成為高效感應(yīng)式開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案的首選。這種簡單拓?fù)淇梢杂迷谠S多不同配置中，有時甚至可以超越它們的一般使用范圍。不過仍有不少問題需要解決，而理解這種轉(zhuǎn)換器的局限性也有助于提高系統(tǒng)性能。
本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/179039.htm本文將通過不同電路配置實例詳細(xì)介紹這種轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并討論一些內(nèi)在的問題及這些問題對某些特殊應(yīng)用的影響。
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
遲滯型轉(zhuǎn)換器實際上采用的是一種開關(guān)(on-off)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它可以用在降壓、升壓或降壓-升壓配置中，而它的超強穩(wěn)定性使它最適合用于降壓型LED驅(qū)動應(yīng)用，因為遲滯型轉(zhuǎn)換器可以在一個振蕩周期內(nèi)穩(wěn)定下來，而像PWM控制器通常需要數(shù)十個周期才能穩(wěn)定下來。遲滯型轉(zhuǎn)換器的特性體現(xiàn)在控制機制、精度、頻率、占空比和傳播時延等方面。
參考圖1，控制是基于預(yù)先確定滯后電壓的比較器而實現(xiàn)的。LED中的電流通常用電阻(Rsense)測量，其數(shù)值一般在比較器設(shè)定的上下門限值之間變化。門限值的設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的關(guān)鍵特點之一是：它們是自振蕩的。這意味著頻率將隨輸入電壓、LED電流和要驅(qū)動的LED數(shù)量的變化而變化。然而，這種轉(zhuǎn)換器經(jīng)常運行在連續(xù)模式，這意味著電感永遠(yuǎn)不會飽和，也不會完全耗盡電流。這種固有的穩(wěn)定性意味著遲滯型轉(zhuǎn)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?fù)湟粯?，這種轉(zhuǎn)換器對占空比范圍也沒有限制。
然而，占空比確實會影響精度。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(qū)動的LED數(shù)量。例如30V的高輸入電壓驅(qū)動單個3V LED的情況，此時的占空比是10%。而30V電壓驅(qū)動9個3V LED(27V正向電壓)時的占空比為90%。第二種情況會有較高的效率。這兩種特例都存在這樣的問題，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，傳播時延和過沖等因素會導(dǎo)致電流與要求值產(chǎn)生偏差，如圖2所示。當(dāng)占空比小于20%或大于80%時，通常不太可能做到嚴(yán)格的電流控制。
圖2：在使用遲滯型降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器調(diào)光LED時需要考慮的精度因素。傳播時延和上升時間也會影響轉(zhuǎn)換器工作的最大頻率、精度和自散熱效果。隨著頻率的上升，轉(zhuǎn)換損耗將超過直流損耗而成為開關(guān)元件功率損耗的主要部分，對任何開關(guān)型拓?fù)鋪碚f這都是必然的。
采用PWM調(diào)光LED時的精度考慮
為了避免改變LED顏色，并提供寬亮度范圍的調(diào)光，PWM是用于LED調(diào)光的首選方法。然而，要想使用感應(yīng)式遲滯型轉(zhuǎn)換器，并在整個分辨率范圍內(nèi)保持較高的精度，有許多因素需要加以考慮。
簡化的白色LED驅(qū)動電路如圖1所示。在這種轉(zhuǎn)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(diào)光時，所有能量必須在切斷周期內(nèi)泄放掉，并在導(dǎo)通周期內(nèi)存儲起來。
圖3a代表LED中的電流。當(dāng)施加供電電壓時，內(nèi)部MOSFET開關(guān)導(dǎo)通，流經(jīng)檢測電阻、LED、電感和開關(guān)的電流從零向上限值I(SUB/)UP(/SUB)躍升。當(dāng)電流達(dá)到上限值時，電流又開始向下限I(SUB/)LO(/SUB)下降，到達(dá)下限值后再向I(SUB/)UP(/SUB)躍升。上下門限值取決于檢測電阻和內(nèi)部參考電壓。
圖3a3b：PWM調(diào)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(diào)光電路來說，將PWM信號驅(qū)動到高將導(dǎo)致電路立即起振，此時平均值等于I(SUB/)AVG(/SUB)，當(dāng)PWM信號驅(qū)動到低時電流立即降低到零。圖3a中的曲線表明，有兩大因素會導(dǎo)致輸出電流誤差，如圖中陰影區(qū)指示的那樣。在初始上升(藍(lán)色陰影)期間電流應(yīng)等于I(SUB/)AVG(/SUB)，因為這段時間的平均電流很低。同樣，在最后的下降期間電流應(yīng)等于0，但綠色陰影區(qū)表明事實不是這樣。如果LED電流的占空比等于50%，那么上升/下降擺率是相同的，這兩個誤差也不會存在，但實際占空比經(jīng)常不是50%。如果在PWM導(dǎo)通周期內(nèi)轉(zhuǎn)換器執(zhí)行許多次振蕩，那么這些誤差效應(yīng)將可以忽略。
在較高PWM占空比時，由于LED響應(yīng)和人眼的原因，一些小誤差可能覺察不出來，但在非常低的PWM占空比時，誤差就變得非常突出。圖4和圖5給出了低PWM占空比時，輸出電流精度隨PWM與轉(zhuǎn)換器振蕩頻率比值的變化。圖中的每根線代表了不同的轉(zhuǎn)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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