基于LED串的DCM升壓轉換器設計

0 引言

固定頻率升壓轉換器非常適合于以恒流模式驅動LED串。這種轉換器采用不連續(xù)導電模式(DCM)工作，能夠有效地用于快速調光操作，提供比采用連續(xù)導電模式(CCM)工作的競爭器件更優(yōu)異的瞬態(tài)響應。當LED導通時，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的模擬調光降至最低。為了恰當?shù)胤€(wěn)定DCM升壓轉換器，存在著小信號模型。然而，驅動LED的升壓轉換器的交流分析，跟使用標準電阻型負載的升壓轉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載條件，在推導最終的傳遞函數(shù)時必須非常審慎。

本方案先將使用基于所研究轉換器之輸出電流表達式的簡化方法。然后將深入研究應用方案，驗證測量精度，并與理論推導進行比較，最終驗證了本方案的實用性。

第1部分：的驅動LED串的DCM升壓轉換器的理論

1 驅動LED串以發(fā)光的升壓轉換器

圖1顯示了驅動LED串的恒定頻率峰值電流工作模式升壓轉換器的簡化電路圖。輸出電流被感測電阻Rsense持續(xù)監(jiān)測。相應的輸出電壓施加在控制電路上，持續(xù)調節(jié)電源開關的導通時間，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LED串以發(fā)光的升壓轉換器

發(fā)光時， LED串會在LED連接的兩端產生電壓。這電壓取決于跟各個LED技術相關的閾值電壓VT0及其動態(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,而而動態(tài)阻抗rLEDs表示的是LED串聯(lián)動態(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LED串壓降及其總動態(tài)阻抗進行特征描述。為了測量起見，將LED串電流偏置至其額定電流IF1.一旦LED達到熱穩(wěn)定，就測量LED串兩端的總壓降Vf1.將電流改變?yōu)樯缘椭礗F2并測量新的壓降VF2.根據(jù)這些值，您可計算出總動態(tài)阻抗，即：

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“齊納”電壓約等于LED串電壓VF1減去rLEDs與測量點電流之積：

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圖2:LED采用串聯(lián)連接

需對它們的閾值電壓進行累加;而總動態(tài)阻抗是串聯(lián)連接的各個LED動態(tài)阻抗之和。回頭再看圖1,LED串與感測電阻Rsense串聯(lián)?？偨涣?ac)阻抗因此就是兩者之和：

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圖3是大幅簡化的等效直流(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，故上述等式可簡化為：

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圖3:直流簡化電路圖

2 簡化模型

電流源實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向上或向下調節(jié)，而Vc逐周期設定電感峰值電流?？刂破魍ㄟ^升壓轉換器開關電流感測電阻Ri來觀測電感峰值電流，并以此工作。當Ri兩端電壓與控制電壓匹配時，電源開關就被指示關閉。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的總阻抗Rac

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

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圖5:由于補償斜坡的緣故，峰值電流并不等于控制電壓除以Rsense

3 完整交流模型

既然我們已經推導出所有系數(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對應于等式(20)中的系數(shù)，并可推導出與輸出電壓調制直接成正比的電流。

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圖6:交流模型圖

4 應用脈寬調制(PWM)進行調光控制

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

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圖7:平均模型幫助驗證工作偏置點及交流響應