降壓-增壓恒流LED驅動方案設計

VIN是直流輸入電壓

VLED是LED支路的總直流電壓

輸入電流部分的總開環增益為(6)式和(3)式的乘積，將乘積設為1，計算環路的交越頻率為：

(7)

將式(5)中的Rc最大值帶入式(7)，交越頻率最大值fcmax為

(8)

電流環路設計完成后，可以設計外部電壓回路。

設計范例

以下提供了一個典型設計范例，3條LED串聯支路，輸入電壓范圍為7V~28V，開關頻率為600KHz，電感為5.1uH。該例所需最大輸出電流為1.2A，LED數為1到4只，LED支路的最大壓降為18V，總輸出功率為Pmax = 21.6 W。假定效率為90％，我們可以計算出最大輸入電流為3.428A。如果設定檢流電阻為0.007Ω，Rc最大值可以由式(5)求得：

我們可選擇小于Rcmax的Rc，Rc=2kΩ。對于18V的輸出，由式(8)求出

。需設定零點頻率fz低于fcmax，本例中，我們選擇Cc為2200pf。所以，零點頻率為

；

極點頻率需高于2倍開關頻率，這里我們選擇Cp為4 pf，得到fp為1.693 MHz。

LED可以建模為一個電壓源串聯一個電阻，在該模型中，每個LED等效為3.15V電壓源串聯一個0.6Ω的電阻。如果我們將3只LED串聯，那么，總的電壓源電壓為9.45V，總阻抗為1.8Ω。如果輸入為9V，3只LED串聯，則交越頻率為

。

圖4a是PSIM仿真電路，圖4b為仿真結果。

圖4a：buck-booST LED驅動器內部平均電流模式環路的仿真電路。

圖4b：圖5a的仿真結果

LED電流檢測

高邊LED電流檢測使用電流檢測放大器檢測LED電流，把電流信號轉換成以地為參考的電壓。MAX4073可以完成這項工作。電路中，內部電流環路的總開環增益可通過加入一個交流掃描電源(圖4a)測量。仿真得到電流環路的交越頻率為85.5kHz，與計算值82.445kHz(圖4b)很接近。

如果在Vout引腳和GND之間沒有任何電阻，MAX4073T的實際電壓增益 為20。該增益可以通過Vout引腳和GND之間的外部電阻調節。高邊電流放大器的帶寬為1.8MHz。II類補償就足以補償電壓環路，并在整個工作范圍內保持LED驅動的穩定性。也可以用一臺網絡分析儀優化電壓環路的II類補償，其交越頻率應遠低于平均電流模式控制環路的交越頻率。

PWM調光控制

LED亮度可以通過PWM信號控制，這種方法通過調整驅動器的導通時間控制LED的輸出電流。模擬調光改變的是LED驅動器的模擬輸出電流，會導致色彩失真。所以，PWM調光是調節LED亮度的理想方式。采用PWM調光方式時，LED驅動器的導通時間可調，其占空比近似等效于顯示器亮度，即100％占空比對應最大亮度。也可以利用PWM調光方案從零到滿負荷調節LED電流，但由于控制環路速度太慢，無法實現較寬的亮度調節范圍。對電路進行改進，可以獲得快速響應，利用MAX16818就可以實現這樣的PWM調光控制環路。

當PWM調光信號變低時，通過斷開與LED串聯的開關迅速降低LED電流到零。同時，用于驅動開關MOSFET的柵極驅動器通過短接MAX16818的CLP引腳被關閉，通過導通Q1完成該操作。同時，與外部電壓環路中補償器件串聯的開關(Q3)開路，從而保持外部電壓環路補償電容的電壓。將CLP引腳短路到地可以立即將輸入電流降至零。因為平均電流控制模式有很高的交越頻率：

所以，不需要將一個開關與內部環路電流的補償電容串聯。一旦PWM調光信號變高，CLP引腳的開關斷開，而與外部電壓補償電路串聯的開關導通，打開LED串聯開關允許LED電流流過。通過這種方式，控制環路可以恢復到斷開LED電流通路前的狀態，快速恢復LED電流，而且電流過沖非常小。LED驅動器的完整原理圖如圖5所示。