基于LED串的DCM升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

0 引言

固定頻率升壓轉(zhuǎn)換器非常適合于以恒流模式驅(qū)動(dòng)LED串。這種轉(zhuǎn)換器采用不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)工作，能夠有效地用于快速調(diào)光操作，提供比采用連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)工作的競(jìng)爭(zhēng)器件更優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)LED導(dǎo)通時(shí)，DCM工作能夠提供快速的瞬態(tài)性能，為輸出電容重新充電，因而將LED的模擬調(diào)光降至最低。為了恰當(dāng)?shù)胤€(wěn)定DCM升壓轉(zhuǎn)換器，存在著小信號(hào)模型。然而，驅(qū)動(dòng)LED的升壓轉(zhuǎn)換器的交流分析，跟使用標(biāo)準(zhǔn)電阻型負(fù)載的升壓轉(zhuǎn)換器的交流分析不同。由于串聯(lián)二極管要求直流和交流負(fù)載條件，在推導(dǎo)最終的傳遞函數(shù)時(shí)必須非常審慎。

本方案先將使用基于所研究轉(zhuǎn)換器之輸出電流表達(dá)式的簡(jiǎn)化方法。然后將深入研究應(yīng)用方案，驗(yàn)證測(cè)量精度，并與理論推導(dǎo)進(jìn)行比較，最終驗(yàn)證了本方案的實(shí)用性。

第1部分：的驅(qū)動(dòng)LED串的DCM升壓轉(zhuǎn)換器的理論

1 驅(qū)動(dòng)LED串以發(fā)光的升壓轉(zhuǎn)換器

圖1顯示了驅(qū)動(dòng)LED串的恒定頻率峰值電流工作模式升壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化電路圖。輸出電流被感測(cè)電阻Rsense持續(xù)監(jiān)測(cè)。相應(yīng)的輸出電壓施加在控制電路上，持續(xù)調(diào)節(jié)電源開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，以提供恒定的LED電流Iout.這就是受控的輸出變量。

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圖1:動(dòng)LED串以發(fā)光的升壓轉(zhuǎn)換器

發(fā)光時(shí)， LED串會(huì)在LED連接的兩端產(chǎn)生電壓。這電壓取決于跟各個(gè)LED技術(shù)相關(guān)的閾值電壓VT0及其動(dòng)態(tài)阻抗rd.因此，LED串兩端的總壓降就是各LED閾值電壓之和VZ,而而動(dòng)態(tài)阻抗rLEDs表示的是LED串聯(lián)動(dòng)態(tài)阻抗之和。圖2顯示的是采用的等效電路。您可以自己來對(duì)LED串壓降及其總動(dòng)態(tài)阻抗進(jìn)行特征描述。為了測(cè)量起見，將LED串電流偏置至其額定電流IF1.一旦LED達(dá)到熱穩(wěn)定，就測(cè)量LED串兩端的總壓降Vf1.將電流改變?yōu)樯缘椭礗F2并測(cè)量新的壓降VF2.根據(jù)這些值，您可計(jì)算出總動(dòng)態(tài)阻抗，即：

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“齊納”電壓約等于LED串電壓VF1減去rLEDs與測(cè)量點(diǎn)電流之積：

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圖2:LED采用串聯(lián)連接

需對(duì)它們的閾值電壓進(jìn)行累加;而總動(dòng)態(tài)阻抗是串聯(lián)連接的各個(gè)LED動(dòng)態(tài)阻抗之和。回頭再看圖1,LED串與感測(cè)電阻Rsense串聯(lián)。總交流(ac)阻抗因此就是兩者之和：

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圖3是大幅簡(jiǎn)化的等效直流(dc)電路圖。直流輸出電壓Vout等于輸出電流Iout與電阻Rac之積再加齊納電壓，在交流條件下，由于齊納電壓恒定，故上述等式可簡(jiǎn)化為：

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圖3:直流簡(jiǎn)化電路圖

2 簡(jiǎn)化模型

電流源實(shí)際上指的是從輸入電源獲得并無損耗地傳輸?shù)捷敵龅碾娏鳌ｋ娏髟纯梢员豢刂齐妷篤c向上或向下調(diào)節(jié)，而Vc逐周期設(shè)定電感峰值電流。控制器通過升壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)電流感測(cè)電阻Ri來觀測(cè)電感峰值電流，并以此工作。當(dāng)Ri兩端電壓與控制電壓匹配時(shí)，電源開關(guān)就被指示關(guān)閉。如果我們現(xiàn)在來考慮交流電路圖，就要考慮電容及其寄生元件，如圖4所示。

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圖4:交流模型使用跟電容模型相關(guān)的總阻抗Rac

在存在補(bǔ)償斜坡的情況下，控制電壓不再是固定的直流電壓，而是斜率會(huì)影響最終峰值電流設(shè)定點(diǎn)的斜坡電壓。圖5顯示了最終波形。到達(dá)峰值電流值的時(shí)間比不存在斜坡的情況下更快，就好像我們會(huì)人為增加電流控制感測(cè)電阻Ri一樣。它有降低電流控制環(huán)路增益及降低連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下兩個(gè)極點(diǎn)的作用。當(dāng)轉(zhuǎn)換器過渡到DCM時(shí)，仍然存在斜坡，必須予以顧及。

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圖5:由于補(bǔ)償斜坡的緣故，峰值電流并不等于控制電壓除以Rsense

3 完整交流模型

既然我們已經(jīng)推導(dǎo)出所有系數(shù)，我們就可以更新原先圖4中中所示的模型。更新的電路圖如圖6示。R1對(duì)應(yīng)于等式(20)中的系數(shù)，并可推導(dǎo)出與輸出電壓調(diào)制直接成正比的電流。

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圖6:交流模型圖

4 應(yīng)用脈寬調(diào)制(PWM)進(jìn)行調(diào)光控制

我們將使用下面的值來檢驗(yàn)我們的計(jì)算。這是一款DCM升壓轉(zhuǎn)換器，為22V壓降的LED串提供恒定功率，詳細(xì)參數(shù)參看附件。

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圖7:平均模型幫助驗(yàn)證工作偏置點(diǎn)及交流響應(yīng)