降壓-增壓恒流LED驅動方案設計

為了優化性能，高亮LED需用電流源而非電壓源來驅動。本文我們將了解一種恒流LED驅動方案，它可以用于驅動一條串聯的LED串。

為了驅動LED串，我們采用改進后的降壓-增壓轉換器電源拓撲，將LED串置于DC-DC轉換器輸出端和輸入電壓源之間。運用這種連接方式，可以為LED串提供低于或高于輸入的驅動電壓。

雖然LED串兩端的電壓存在降壓-增壓轉換器提供的直流增益，但其輸入電流是非脈動方式，這不同于典型的降壓-增壓轉換器的脈動輸入電流，非脈動電流有效降低了EMI。本文所討論的PWM控制器采用平均電流控制模式。

圖1所示LED驅動器有如下直流特性：

(1)

由于

，

此處D為占空比

(2)

在平均電流控制模式下，輸入電流由輸入電壓返回環路的檢流電阻檢測(圖2)。該電壓送入電流誤差放大器(CEA)的反相輸入端。放大器的同相輸入端連至電流控制電壓。誤差信號經過放大器放大后，驅動PWM比較器的輸入端，與開關頻率的斜坡信號進行比較。電流環路的增益帶寬特性可通過CEA附近的補償網絡進行優化。

電流環路補償設計

業內已經有多種集成驅動方案，為了幫助用戶選擇方案，我們對MAX16818集成控制系統進行了檢驗。這個平均電流模式控制器利用跨導放大器(transcONductance amplifier)放大電流誤差信號。檢流電阻兩端的電壓由內部放大器放大34.5倍，電流誤差放大器的跨導是550 uS，鋸齒波信號峰值為2V。該電路中，輸入電流在返回通路上由電阻Rs檢測(圖3)。

圖3：利用MAX16818(內部電流環路)構建的高亮LED驅動器。

電流檢測電阻值由平均電流極限設置，LED支路的最大電壓為：

此處n是LED的數目，Vfm(If)是LED在滿負荷電流If下的最大壓降。

最大輸入功率為Pmax = VLED(max) ×IfVLED(max) ×I f，效率為η。因而，最大輸入電流為：

(1)

最小平均電流閥值為24mV，因而，電流檢測電阻值為：

(2)

為了避免控制器的PWM比較器輸出自激，比較器反相輸入信號的斜率應小于同相輸入的鋸齒波斜率。鋸齒波斜率為Vs×fs，電流誤差放大器的增益為GCA。

(3)

式中，gm是CEA跨導，放大器輸出為PWM比較器的反相輸入。PWM比較器的同相輸入是鋸齒波，峰值為Vs、開關頻率為fs。這是電流誤差放大器從Rs檢流電壓到放大器輸出在高頻端的交流增益，頻率低于補償電容Cp產生的極點。這是PWM比較器敏感頻點處的增益。

電流誤差放大器的最大增益GCA由下式(4)決定：

(4)

VLED(max)/L是輸入電流的下降斜率。

從等式(4)我們可以得出Rc的最大值為：

(5)

由RcCc決定的零點頻率要低于電流環路的交越頻率fc(crossover frequency)，且要留有足夠的相位余量，這是確定Cc值的標準。LED驅動器功率電路的小信號等效模型由下面推導的公式表示。

升壓調節器電流環路的小信號控制到輸出增益，即從CEA輸出vca到Rs電壓vRs的表達式為：

(6)

式中：Rs為電流檢測電阻，L為輸入電感值

Il是電感的直流電流