一種滯環控制的LED驅動設計

0 引言

LED 的發光效率目前已經達到并且正在超過熒光燈.HID 燈等傳統光源的水平，在通用照明領域將逐漸成為主流光源.由于LED 照明光源具有高光效.長壽命.節能環保，耐用等優點，近年來LED 應用以及驅動已經成為研究熱點.在相同工作電壓下，LED的正向導通壓降因受工藝離散性的影響而呈現出一定的差異，所以恒流驅動是白光LED 的最佳選擇.目前的電流控制方式主要有峰值電流控制，滯環控制，平均電流控制，和固定導通時間控制(COT)等控制方法.主流的峰值電流控制存在平均電流和峰值電流不一致的問題;且當電路占空比大于0.5時，有次諧波震蕩現象，需要增加斜坡補償電路，因此增加了電路復雜性.平均電流模式能精確控制平均電流，但是控制方法實現復雜，且仍需斜坡補償電路.滯環電流控制模式中，LED的平均驅動電流值由內設閾值Imax和Imin決定，不存在類似于峰值電流控制模式問題，能較好地解決峰值電流控制的缺點，且無需額外斜坡補償電路，電路結構簡單.滯環控制具有自穩定性.動態響應迅速等優點，應用廣泛.

有人設計的滯環電路，結構簡單，穩定性好，但無調光電路設計.有人提出一種滯環跟蹤控制電路，對電路進行仿真與理論分析，但電路無調光功能，且主電路為傳統的降壓電路，MOS 管驅動設計困難.此外電路還采用D觸發器限制頻率抖動范圍，但同時也限制了電路的帶負載能力，且瞬態響應變差.

本文在基礎上，采用新的降壓電路，去掉了D 觸發器，設計了一款帶有數字PWM 調光的LED 驅動電路.

1 原理與設計

1.1 工作原理

本文設計的滯環LED 驅動電路由主電路.電流檢測電路，滯環控制電路三個部分組成.當MOS 管導通時，續流二極管D截止，電感L 電流上升，取樣電阻Rs兩端電壓差值變大，將此電壓差值通過差分放大電路，反饋至滯環控制電路，與滯環控制電路設定的閾值電壓VH或VL相比較.如圖1所示，當電壓達到滯環控制系統的電壓的上限值VH 時，比較器輸出電平翻轉，關斷MOS管，由于電感電流iL 不能突變，此時感應出一個反向電壓，續流二極管D導通.電感放電，當放電至電壓低于滯環控制系統的電壓的下限VL 時，比較器電壓翻轉，MOS 管導通，循此反復，限制了電感電流的峰值和谷值，從而達到了控制LED電流平均值.

1.2 電路分析滯環控制的LED 驅動電路主要由主電路，電流檢測電路，滯環控制電路，以及數字調光電路組成.如圖2中主電路由RS,電感L,續流二極管D,開關器件MOS,以及負載LED.Vi為輸入電壓，RS為檢測電阻.電路穩定時，忽略續流二極管與Rs的導通壓降可得：

式中：Vi 為輸入電壓，Vo 為LED 兩端電壓，Ton 為導通時間，Toff為關斷時間.

由式(1)可得：

電流檢測電路為高邊電流檢測電路[5-7],滯環控制電路為電路的核心.有人分析了電流檢測電路以及滯環跟蹤電路，并進行了仿真分析.

將滯環控制電路的輸出邏輯信號與數字調光信號相與，可得到調制的PWM 調光信號，控制MOS 管的導通與截止，實現數字PWM調光.

2 實驗

2.1 關鍵點波形測試

在上述分析的基礎上，設計了實驗電路進行驗證，電路參數為：RS取0.5 Ω，電感L的值為220 μH,續流二極管為SS34,開關MOS管選用IRFR024,電流檢測器采用LM358通用運放，比較器選用LM393,與非門用74HC00,MOS 驅動選用UCC27524D,R1=R2=4.7 kΩ，R3=R4=47 kΩ，R7=500 Ω，R6采用3個200 Ω電阻并聯，R5=910 Ω.

圖3(a)所示為實驗電路占空比較大時，通過LED電流iRS 與MOS 管門極電壓VGS 波形圖.圖3(b)為占空比較小時，通過LED電流iRS與MOS管門極電壓VGS波形圖.通道1為電流探頭測得通過LED的電流波形，通道2為MOS管門極電壓VGS波形.