高亮度白光LED驅(qū)動典型方案

　　1 前言

　　由于世界上日趨嚴重的能源危機，發(fā)光二極管（LED）作為一種高效率光源得到了高度重視，不僅消費電子產(chǎn)品中的手機、PDA、液晶電視等的背光光源中已普遍應(yīng)用白光LED，在公共交通信號標志，工業(yè)通信照明系統(tǒng)、汽車燈具以及用量巨大的普通工業(yè)與民用照明領(lǐng)域也將獲得廣泛應(yīng)用。作為光源，LED的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個方面：節(jié)能、環(huán)保和長壽耐用。首先，LED的能耗理論上僅為白熾燈的10%，熒光燈的50%;在使用壽命方面，LED是利用固體發(fā)光，耐震、耐沖擊、不易破碎，預(yù)期壽命可達10萬小時。在環(huán)保方面，由于在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不使用汞等易污染物，廢棄物可回收無污染。

　　LED應(yīng)用中的一個技術(shù)關(guān)鍵是提供與其特性相適應(yīng)的電源或驅(qū)動電路。在照明應(yīng)用中，現(xiàn)今的高亮度白光LED的工作電流可達150mA~3A，導(dǎo)通壓降高達3~5V，以提供更高的亮度。由于功率的增加，傳統(tǒng)的電阻限流，線性調(diào)節(jié)，電荷泵的驅(qū)動方法的效率受原理的限制已無法進一步提高，PWM開關(guān)電源型的直流變換器就成為首選的LED驅(qū)動解決方案。本文提出一種應(yīng)用于升壓LED驅(qū)動電路的控制器的芯片，考慮到LED是典型的電流型器件，電流的波動會影響其發(fā)光效率和色彩，而電流超過額定值將損害其壽命與可靠性。因此，在LED驅(qū)動中電流模式控制具有明顯的優(yōu)點。而且PWM控制技術(shù)發(fā)展至今，其電流控制模式也已發(fā)展出多種模式。相對于環(huán)路設(shè)計較為復(fù)雜的平均電流控制模式和電磁干擾問題較多的遲滯電流控制模式，峰值電流控制模式環(huán)路設(shè)計較為簡單，且可以有效地限制電流。

　　考慮到上述因素，芯片在設(shè)計中采用了峰值電流控制模式，并集成了斜坡補償電路，使之具有較寬的電壓工作范圍（3~16V）。本文首先給出了整個控制系統(tǒng)的建模與環(huán)路補償設(shè)計，接下來針對LED調(diào)光的要求在傳統(tǒng)的峰值電流模式控制器模塊的基礎(chǔ)之上設(shè)計數(shù)字調(diào)光功能的模塊。第三部分介紹了芯片中的無采樣電阻的控制功能電路，實現(xiàn)直接通過采樣功率開關(guān)管漏源電壓，即Rds（on）采樣來采樣電流，減少了采樣電阻上的損耗，可以有效地提高系統(tǒng)的效率。最后給出控制芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、版圖和各種模式下的測試結(jié)果。

　　2 系統(tǒng)建模與環(huán)路補償設(shè)計

　　升壓型LED驅(qū)動電路以及控制環(huán)路圖如圖1所示。通過電阻Rs1采樣負載LED電流輸入電壓誤差放大器（EA），誤差放大器的輸出經(jīng)過補償網(wǎng)絡(luò)輸出作為電流峰值比較器的基準，電阻Rs2采樣開關(guān)管S1上的電流輸入比較器的正端，Ramp是峰值電流控制中的斜坡補償電流。時鐘信號CLK確定開關(guān)頻率與開關(guān)管的開通，當電流信號大于設(shè)定的閾值時，比較器的輸出變高觸發(fā)邏輯電路翻轉(zhuǎn)開關(guān)管關(guān)斷。

　　圖1 升壓型LED驅(qū)動電路控制圖

　　可建立如圖2所示的小信號模型電路。對于升壓型的功率級電路，利用狀態(tài)空間平均法可以得到原功率級兩個重要的傳遞函數(shù)Gvd（s），Gid（s）并根據(jù)圖中模型可以推導(dǎo)出輸出電壓對指令電流信號的等效功率級傳函Ap（s）。

　　圖2 峰值電流模式控制小信號模型

　　其中Fm=1/MaTs，F(xiàn)v=D‘2Ts/2L，Ma是斜坡補償電流的斜率，L是濾波電感，Ts是開關(guān)周期，D是穩(wěn)態(tài)占空比?？紤]整個環(huán)路的傳遞函數(shù)T（s）；

　　補償前的環(huán)路傳函幅相頻曲線如圖3中所示，系統(tǒng)有兩個極點（p1，p2），一個左半平面的零點z（輸出電容ESR引起），一個右半平面的零點z1.這里需要指出的是，如果沒有帶斜坡補償電路的電流反饋控制系統(tǒng)的引入，輸出LCR網(wǎng)絡(luò)決定環(huán)路系統(tǒng)是一個高Q值的系統(tǒng)，而電流反饋使得系統(tǒng)的Q值大大地減小，但右半平面的零點會提高穿越頻率并使得相位裕度更差?？梢圆捎玫难a償方法是加入一個單零點單極點的補償網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，Gc（s）表達式為，

　　圖3 補償前后系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)

　　其中z2用來補償極點p1，坐標原點的極點可以提高低頻的環(huán)路增益以較小直流穩(wěn)態(tài)誤差，p3抵消z1帶來的幅度增加，抑制接近開頻頻率的噪聲，最終的穿越頻率fc設(shè)定在開關(guān)頻率的1/10左右。最簡單的補償方法也可以采用單極點的補償網(wǎng)絡(luò)，為保證相位裕度就會帶來缺點即環(huán)路的帶寬會更小，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變慢。對于實際應(yīng)用的升壓型的LED驅(qū)動電路進行建模并在MATLAB中仿真結(jié)果（如圖4所示），從仿真的結(jié)果看，環(huán)路在這種斜坡電流和補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計下在穿越頻率附近的相位裕度大于45°，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，與公式推算的結(jié)果基本相符。

　　圖4 MATLAB仿真結(jié)果