關(guān)于智能LED照明中的Smart CC/CV的分析和介紹

雖然學(xué)生時(shí)代就學(xué)過恒流源（Constant Current, CC）、恒壓源（Constant Voltage, CV）的概念，但在剛剛進(jìn)入電源領(lǐng)域的時(shí)候，自己并不真正明白恒流源是怎么回事，直至遇到了鋰離子電池并開始給它充電時(shí)才開始真的理解它的意義。

我所搭建的第一個(gè)恒流源是這樣得來的：

RT9161 本是個(gè)三端穩(wěn)壓器，它的輸出端 VOUT 和 GND 之間的壓差就是它預(yù)設(shè)的輸出電壓 VOUT，兩者之間連接電阻 R 以后，流過電阻的電流就是VOUT/R，因?yàn)?VOUT 和 R 都是恒定不變的，所以流過電阻的電流也是不變的，因而具有恒流的效果。最后流入負(fù)載的電流是由兩部分構(gòu)成的，一部分是恒流源的輸出，一部分是 RT9161 的地電流（也就是讓 RT9161 正常工作的靜態(tài)電流），這個(gè)數(shù)值大概為 110μA，相對恒流輸出的部分來說非常小，完全可以忽略不計(jì)，因而可以說負(fù)載得到的電流就是由電阻 R 的大小決定的。

對于恒流源來說，它的輸出電壓是由負(fù)載決定的。假設(shè)上圖中的 RLOAD 是變化的，則由 RT9161 + R 構(gòu)成的恒流源的輸出電壓也是變化的，其值為 RLOAD x VOUT/R。假如將負(fù)載 RLOAD 換成充電過程中電壓會變化的鋰離子電池，恒流源的輸出電壓也就由鋰離子電池的電壓來確定了。

鋰離子電池的充滿電壓與其循環(huán)壽命密切相關(guān)，兩者間的關(guān)系如下圖所示：

因?yàn)檫@樣的考慮，所以不能僅用恒流源對鋰離子電池進(jìn)行無限制的充電，需要另外加入一個(gè)恒壓機(jī)制來控制輸出電壓。我的第一次實(shí)踐是這樣實(shí)現(xiàn)的：

現(xiàn)在 4.2V 輸出的 RT9161 成了恒流源的負(fù)載，它的輸出電壓最高就是 4.2V，其輸出電流也不可能超出恒流源的輸出電流，因而可以實(shí)現(xiàn)對電池的恒流/恒壓充電。這當(dāng)然不是一個(gè)好的做法，整個(gè)電路的壓差很大才能正常工作，使用起來溫度會很高，但在那個(gè)缺乏資源的時(shí)代卻滿足了一部分應(yīng)用的需要，直到后來有了專門設(shè)計(jì)的鋰離子電池充電 IC，它才徹底退出應(yīng)用市場。其實(shí)你現(xiàn)在看到的電路仍然是有缺陷的，不能防止未充電時(shí)的電池漏電，也不能按照電池的特性進(jìn)行分階段的充電，所以我當(dāng)時(shí)的做法比這還要復(fù)雜，但因?yàn)槌隽祟A(yù)定話題的范疇，這里就不繼續(xù)了。

一般的鋰離子電池充電需要按照上圖所示的策略來進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)上需要使用多個(gè)控制回路，有的控制電流，有的控制電壓，而控制的對象則因?qū)崿F(xiàn)的方式不同而有變化，線性系統(tǒng)只是控制調(diào)整管就行了，開關(guān)模式充電系統(tǒng)則要復(fù)雜許多，這是由于它的輸入電流與輸出電流并不相等的原因造成的。不考慮環(huán)境適應(yīng)性的時(shí)候還好一點(diǎn)，一旦考慮環(huán)境需求就麻煩起來了，現(xiàn)在這里也是按下不表，同樣因?yàn)橐鋵?shí)到我們的主題上。

如上圖所示，LED 的伏安特性是非線性的，發(fā)光量則與流過的電流幾乎呈現(xiàn)為線性關(guān)系。如果用電壓源對它進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，小小的電壓變化就能導(dǎo)致很大的電流變化，對產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性都會帶來很大的不利影響，可靠性也會降低，所以正確的 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)都以負(fù)載電流為控制對象，這樣就要求其輸出電流是恒定的，這便是 LED 驅(qū)動(dòng)器的 CC 的由來。

既然 LED 驅(qū)動(dòng)器以輸出電流恒定為控制目標(biāo)，它的反饋信號自然也是來源于輸出電流的取樣，很少有設(shè)計(jì)會把輸出電壓作為控制對象來考慮的，即使有也只是過壓保護(hù)這樣的設(shè)計(jì)，但這只能在負(fù)載斷開的情況下才會起作用，其它情況幾乎不會照顧到。

如上圖所示，RT7306 是一款可以工作在 Flyback 和 Buck-Boost 架構(gòu)下的 LED 驅(qū)動(dòng)器，支持使用模擬信號進(jìn)行調(diào)光操作，調(diào)光信號和輸出電流之間的關(guān)系如下圖所示：

VDIM是調(diào)光信號電壓，KCC 是由它控制產(chǎn)生的一個(gè)與輸出電流成比例的中間信號。當(dāng) VDIM < VDIM_LOW 時(shí)，KCC=0，這意味著輸出電流為零，負(fù)載 LED 不會發(fā)光。若僅以輸出電流作為控制系統(tǒng)的反饋信號，控制信號要求負(fù)載電流為零時(shí)主開關(guān) Q1 便不會再有開關(guān)動(dòng)作，因而提供輔助電源的輔助繞組就不會為 RT7306 的 VDD 提供能量，RT7306 在消耗完正常工作期間給 VDD 端電容充入的電能以后就會開啟一輪重啟過程。假如給 RT7306 提供調(diào)光信號的 MCU 也是依靠 VDD 處電源供電的，它也將不能正常地連續(xù)工作，它所提供的調(diào)光信號也將出現(xiàn)混亂狀態(tài)。為了解決這個(gè)問題，某些設(shè)計(jì)的做法是另加一套輔助電源為 MCU 和 PWM 控制器供電，而 RT7306 的做法是新增了一個(gè) VDD 電源的穩(wěn)定機(jī)制，使得沒有負(fù)載電流需求時(shí)的 VDD 電壓能維持在 10V-10.5V 之間。與此相應(yīng)，LED 負(fù)載端的電壓也會維持在某個(gè)水平上，具體是多少就看變壓器繞組之間的匝比是怎樣的了。這種既對負(fù)載電流進(jìn)行控制、又對 VDD 電壓進(jìn)行控制的設(shè)計(jì)，分別解決了負(fù)載恒流控制和 VDD 電壓維持的問題，只是兩者出現(xiàn)在不同的地方，大概可以被看作是 Smart CC/CV 設(shè)計(jì)的原型。

真正的 Smart CC/CV 設(shè)計(jì)出現(xiàn)在 RT7331上，其中的 CC 和 CV 都是針對輸出端來說的，與前述的 RT7306 不太一樣。先來看看它的應(yīng)用電路圖：

RT7331 同樣是支持 Flyback 和 Buck-Boost 應(yīng)用的設(shè)計(jì)，它有一個(gè) MULT 端子可以通過外加的電阻 RMULT 設(shè)定輸出電壓反饋系統(tǒng)的參考電壓，當(dāng)調(diào)光信號輸入端 DIM 的輸入電壓低于 VDIM_DIS（大約為0.25V）超過 15ms 時(shí)，這個(gè)設(shè)定便開始起作用將穩(wěn)定輸出電壓控制回路的參考電壓設(shè)定到某個(gè)值上，這樣做的結(jié)果便是將輸出電壓穩(wěn)定到了某個(gè)確定值上，這時(shí)候的負(fù)載是不會有電流通過的，也就是 LED 負(fù)載的光輸出降到了 0。RMULT 與反饋參考電壓之間的對應(yīng)關(guān)系是這樣的：

選定一個(gè)恒壓輸出參考電壓的 RMULT 的值域很大，是因?yàn)樗€被用于主開關(guān)的偽諧振時(shí)間設(shè)定上，這里我們就不深入介紹了，感興趣的朋友請參閱 RT7331 的規(guī)格書。

讓控制系統(tǒng)進(jìn)入輸出電壓恒定控制模式的電壓值 VDIM_DIS 處于調(diào)光信號有效范圍的低端，只有高于這個(gè)電壓的調(diào)光信號才會使 RT7331 進(jìn)入恒流輸出控制模式。實(shí)際上，RT7331 既支持使用模擬信號進(jìn)行調(diào)光，也支持使用 PWM 信號進(jìn)行調(diào)光，模擬信號的幅度和 PWM 信號的占空比與負(fù)載電流之間的對應(yīng)關(guān)系分別如下圖所示：

需要說明的是，當(dāng)使用模擬信號進(jìn)行調(diào)光時(shí)，負(fù)載發(fā)光的最低一檔是額定電流的 2.5%（這是設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)際指標(biāo)要更低一些），再往下就會徹底滅掉了（這是有效避免閃爍的措施），但是由于此時(shí)的系統(tǒng)處于恒壓輸出模式，VDD端仍有穩(wěn)定的電源供應(yīng)，所以實(shí)施調(diào)光的 MCU 或是其他控制模組可以借用此電源為之供電，無需使用外加的輔助電源，這樣就使系統(tǒng)設(shè)計(jì)大大簡化，更省電了，成本也變低了。假如使用 PWM 信號進(jìn)行調(diào)光，該信號的占空比持續(xù)為 0 時(shí)，系統(tǒng)自然就進(jìn)入了恒壓輸出模式，前述的優(yōu)勢都會在此時(shí)表現(xiàn)出來，更由于 PWM 信號的占空比可以很準(zhǔn)確，因而調(diào)光的精度可以更高，RT7331 支持將亮度調(diào)節(jié)至額定亮度的 1% 而不閃爍，這也是一個(gè)很大的產(chǎn)品亮點(diǎn)，同時(shí)這也只是一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)際的數(shù)據(jù)要低很多。

從上面的調(diào)光特性曲線也可以看出調(diào)光信號的變化方向?qū)?RT7331 的輸出特性的影響是極小的，兩個(gè)變化方向上的輸出數(shù)據(jù)都落在同一個(gè)點(diǎn)上就是有效的證明，這足以看出器件的控制精度是極高的。