高亮度白光LED驅(qū)動(dòng)典型方案

1 前言

　　由于世界上日趨嚴(yán)重的能源危機(jī)，發(fā)光二極管（LED）作為一種高效率光源得到了高度重視，不僅消費(fèi)電子產(chǎn)品中的手機(jī)、PDA、液晶電視等的背光光源中已普遍應(yīng)用白光LED，在公共交通信號(hào)標(biāo)志，工業(yè)通信照明系統(tǒng)、汽車(chē)燈具以及用量巨大的普通工業(yè)與民用照明領(lǐng)域也將獲得廣泛應(yīng)用。作為光源，LED的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：節(jié)能、環(huán)保和長(zhǎng)壽耐用。首先，LED的能耗理論上僅為白熾燈的10%，熒光燈的50%;在使用壽命方面，LED是利用固體發(fā)光，耐震、耐沖擊、不易破碎，預(yù)期壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。在環(huán)保方面，由于在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不使用汞等易污染物，廢棄物可回收無(wú)污染。

　　LED應(yīng)用中的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵是提供與其特性相適應(yīng)的電源或驅(qū)動(dòng)電路。在照明應(yīng)用中，現(xiàn)今的高亮度白光LED的工作電流可達(dá)150mA~3A，導(dǎo)通壓降高達(dá)3~5V，以提供更高的亮度。由于功率的增加，傳統(tǒng)的電阻限流，線性調(diào)節(jié)，電荷泵的驅(qū)動(dòng)方法的效率受原理的限制已無(wú)法進(jìn)一步提高，PWM開(kāi)關(guān)電源型的直流變換器就成為首選的LED驅(qū)動(dòng)解決方案。本文提出一種應(yīng)用于升壓LED驅(qū)動(dòng)電路的控制器的芯片，考慮到LED是典型的電流型器件，電流的波動(dòng)會(huì)影響其發(fā)光效率和色彩，而電流超過(guò)額定值將損害其壽命與可靠性。因此，在LED驅(qū)動(dòng)中電流模式控制具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。而且PWM控制技術(shù)發(fā)展至今，其電流控制模式也已發(fā)展出多種模式。相對(duì)于環(huán)路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的平均電流控制模式和電磁干擾問(wèn)題較多的遲滯電流控制模式，峰值電流控制模式環(huán)路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，且可以有效地限制電流。

　　考慮到上述因素，芯片在設(shè)計(jì)中采用了峰值電流控制模式，并集成了斜坡補(bǔ)償電路，使之具有較寬的電壓工作范圍（3~16V）。本文首先給出了整個(gè)控制系統(tǒng)的建模與環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)，接下來(lái)針對(duì)LED調(diào)光的要求在傳統(tǒng)的峰值電流模式控制器模塊的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)光功能的模塊。第三部分介紹了芯片中的無(wú)采樣電阻的控制功能電路，實(shí)現(xiàn)直接通過(guò)采樣功率開(kāi)關(guān)管漏源電壓，即Rds（on）采樣來(lái)采樣電流，減少了采樣電阻上的損耗，可以有效地提高系統(tǒng)的效率。最后給出控制芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、版圖和各種模式下的測(cè)試結(jié)果。

　　2 系統(tǒng)建模與環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)

　　升壓型LED驅(qū)動(dòng)電路以及控制環(huán)路圖如圖1所示。通過(guò)電阻Rs1采樣負(fù)載LED電流輸入電壓誤差放大器（EA），誤差放大器的輸出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸出作為電流峰值比較器的基準(zhǔn)，電阻Rs2采樣開(kāi)關(guān)管S1上的電流輸入比較器的正端，Ramp是峰值電流控制中的斜坡補(bǔ)償電流。時(shí)鐘信號(hào)CLK確定開(kāi)關(guān)頻率與開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通，當(dāng)電流信號(hào)大于設(shè)定的閾值時(shí)，比較器的輸出變高觸發(fā)邏輯電路翻轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。

　　圖1 升壓型LED驅(qū)動(dòng)電路控制圖

　　可建立如圖2所示的小信號(hào)模型電路。對(duì)于升壓型的功率級(jí)電路，利用狀態(tài)空間平均法可以得到原功率級(jí)兩個(gè)重要的傳遞函數(shù)Gvd（s），Gid（s）并根據(jù)圖中模型可以推導(dǎo)出輸出電壓對(duì)指令電流信號(hào)的等效功率級(jí)傳函Ap（s）。

　　圖2 峰值電流模式控制小信號(hào)模型

　　其中Fm=1/MaTs，F(xiàn)v=D‘2Ts/2L，Ma是斜坡補(bǔ)償電流的斜率，L是濾波電感，Ts是開(kāi)關(guān)周期，D是穩(wěn)態(tài)占空比?？紤]整個(gè)環(huán)路的傳遞函數(shù)T（s）；