1 引 言
針對(duì)LED照明負(fù)載特點(diǎn),目前非隔離式的恒流驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上是BUCK降壓結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的方案是通過固定關(guān)斷時(shí)間來固定峰值電流,從而達(dá)到固定輸出電流的控制策略。本文將討論這種控制策略實(shí)現(xiàn)恒流的原理,分析這種開環(huán)控制策略的優(yōu)缺點(diǎn),和應(yīng)用這種控制策略需要做的外圍補(bǔ)償,同時(shí)基于占空比半導(dǎo)體公司新產(chǎn)品DU2401芯片,介紹這種全新的閉環(huán)電流控制策略,詳細(xì)介紹這種控制策略如何突破性提高LED輸出電流精度,從開環(huán)到閉環(huán)是其本質(zhì)的突破。
2 原理與設(shè)計(jì)
2.1 目前LED非隔離恒流驅(qū)動(dòng)電流領(lǐng)域主流的控制策略
如圖1所示,電路是BUCK降壓結(jié)構(gòu),芯片控制的是MOSFET的源極,這是一種開環(huán)的恒流電流控制方式,控制原理如下:
芯片內(nèi)部有兩個(gè)比較器,其比較參考電平分別為Vpk和Vvalley,與之比較的是Rs兩端的電壓。
Vin上電時(shí),電感L和電流采樣電阻Rs的初始電流為零,LED輸出電流也為零。這時(shí)候,CS比較器的輸出為高,內(nèi)部功率開關(guān)導(dǎo)通,SW的電位為低。電流通過電感L、電流采樣電阻Rs、LED和內(nèi)部功率開關(guān)從Vin流到地,電流上升的斜率由Vin、電感L和LED壓降決定,在Rs上產(chǎn)生一個(gè)壓差Vcs, 當(dāng)(Vin-Vcs) >Vpk時(shí),CS比較器的輸出變低,內(nèi)部功率開關(guān)關(guān)斷,電流以另一個(gè)斜率流過電感L、電流采樣電阻Rs、LED和肖特基二極管D,當(dāng)Vin-Vcs < Vvalley時(shí),功率開關(guān)重新打開,這樣使得在LED上的平均電流為:Io=1/(2*Rs)*(Vpk+Vvalley)
所以,這種開環(huán)的控制策略是,根據(jù)兩個(gè)比較電平參考電位Vpk和Vvalley,來設(shè)定電感電流的峰峰值,從而起到了設(shè)定輸出平均電流值的效果。
這是一種簡單有效的控制策略,但是由于這是一種開環(huán)控制模式,只能檢測電感上的峰值電流,無法檢測輸出電流,外部條件發(fā)生變化時(shí),兩個(gè)比較器都會(huì)產(chǎn)生延時(shí),輸出電流精度在三種情況下容易出現(xiàn)偏差:
1、當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)(如:不同的LED Vf和不同串?dāng)?shù))
2、當(dāng)主電感感量發(fā)生變化時(shí)(如:實(shí)際上量產(chǎn)的精度不高)
3、當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)。
2.2 DU2401 如何實(shí)現(xiàn)真正全閉環(huán)的恒流控制
另外,圖1 Rs電阻串聯(lián)在Vin和LED負(fù)載之間,這意味著不論芯片內(nèi)部開關(guān)管開通和關(guān)斷,Rs都將通過電流。圖2的全閉環(huán)LED射燈驅(qū)動(dòng)電源中,Rs只在開關(guān)管開通的時(shí)候,有電流通過,這也是全閉環(huán)控制帶來的好處。這樣會(huì)帶來一個(gè)非常顯著的性能提高,因?yàn)镽s電阻的能耗減少,會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。DU2401達(dá)到了業(yè)內(nèi)最高的98%的效率,正是基于這種全閉環(huán)控制策略。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
我們選擇了一個(gè)典型LED射燈應(yīng)用來做IC功能驗(yàn)證,基本電參數(shù)要求如下:
輸入電壓范圍:12.5~30VDC 效率:>90%
輸出電壓范圍:3~10.5VDC 輸出電流:700mA
對(duì)于輸入電壓、負(fù)載LED變化情況下,我們測試得到如下交叉調(diào)整率結(jié)果:
圖5可以看到,由于閉環(huán)控制,在設(shè)計(jì)的正常工作范圍內(nèi),輸出電流維持定值,單顆系統(tǒng)可以認(rèn)為是恒定的輸出電流,即線性、負(fù)載調(diào)整率理論值是0。量產(chǎn)時(shí),由于參數(shù)一致性分布,大量數(shù)據(jù)表明,恒流精度小于±0.9%。
對(duì)于輸出電感變化,我們測試到如下結(jié)果:
圖 6 反映的是電感大范圍變化(設(shè)計(jì)標(biāo)稱值68uH)時(shí),輸出電流的變化,如左圖。如果這種測試用于目前市場上開環(huán)系統(tǒng)芯片,電流會(huì)出現(xiàn)線性的大范圍波動(dòng),如右圖。而DU2401 閉環(huán)的方式,使得輸出電流依然保持±0.9%以內(nèi)的恒流精度。充分說明了閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)恒流精度提高的重要性。
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基于圖 4 的極簡線路,如圖 9、圖10 顯示,此方案可以在非常小的尺寸下實(shí)現(xiàn) 3W 的輸出功率。這樣的小尺寸,對(duì)于空間狹小,要求很高的射燈,有實(shí)際的意義。高功率密度是LED 燈具對(duì) LED 驅(qū)動(dòng)電源提出的要求,更優(yōu)的控制方式是實(shí)現(xiàn)更高的功率密度的根本途徑。
由圖11可以看到基于TRUECC專利技術(shù)的高性能LED射燈方案成本只有1.45元,成本上優(yōu)勢很大。
4 結(jié)論
全閉環(huán)控制,檢測輸出電流,來發(fā)出PWM信號(hào),是真正的恒流電源驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明,相對(duì)于其他非閉環(huán)的方案,這種獨(dú)有的閉環(huán)恒流控制技術(shù)使輸出電流精度有了質(zhì)的飛躍,使整機(jī)電源在全電壓、全負(fù)載、電感變化范圍內(nèi)的電流精度達(dá)到行業(yè)內(nèi)目前最高的±0.9%。
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