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基于Buck變換器的LED驅(qū)動(dòng)器反饋環(huán)路設(shè)計(jì)及測試

發(fā)布時(shí)間:2009-10-26 來源:萬代半導(dǎo)體元件上海有限公司

中心議題:
  • 基于Buck變換器的LED驅(qū)動(dòng)器與常規(guī)的Buck變換器的設(shè)計(jì)差異
  • AOZ0181反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)過程
  • 不能直接測量Buck型LED驅(qū)動(dòng)器增益裕量和相位裕量的原因
解決方案:
  • 采樣低驅(qū)動(dòng)電壓來降低LED功耗,提高效率
  • 輸出電壓由串聯(lián)的LED的正向壓降確定
  • 在FB管腳加電壓跟隨器
目前,基于降壓型Buck變換器的LED驅(qū)動(dòng)器廣泛應(yīng)用于通用的照明系統(tǒng),如一些樓宇和草地的照明,通常使用交流適配器從110V/220V交流市電得到12V/24的直流電壓,然后12V/24輸出接一個(gè)Buck變換器,用于驅(qū)動(dòng)LED;在汽車系統(tǒng)中,也是用12V/24V的直流電池供電,所以汽車內(nèi)部和車燈采用LED作光源時(shí),也是需要BUCK型LED驅(qū)動(dòng)器。Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器可以輸出大的電流,同時(shí)電源的效率比升壓驅(qū)動(dòng)器高,但是Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)的LED的數(shù)目取決于LED的正向壓降和輸入的電壓。

Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器和通用BUCK降壓型變換器的設(shè)計(jì)相同,但對(duì)于反饋環(huán)路的增益裕量和相位裕量的測試,卻和通常的Buck降壓型變換器有很大的不同,這是由于LED驅(qū)動(dòng)器的特性決定的,本文將會(huì)討論這個(gè)有趣的問題。

1. Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)


Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器和通用Buck降壓型變換器最大的不同在于參考電壓的差異。通用Buck降壓型變換器的參考電壓通常是0.8V,1.25V等,用于設(shè)定輸出的電壓,輸出電流變化時(shí),輸出電壓保持恒定,輸出的負(fù)載和輸出電容并聯(lián),如圖1 所示。Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器的參考電壓通常是0.25V,0.2V,0.1V,用于設(shè)定LED的驅(qū)動(dòng)電流,并保持LED的電流恒定。由于設(shè)定LED的驅(qū)動(dòng)電流的取樣電阻和LED串聯(lián),因此參考電壓越低,取樣電阻的功耗就越小。如果參考電壓過低,由于電流信號(hào)的取樣信號(hào)太小,容易受外干擾,影響取樣的精度;此外,同樣的電流所要求的取樣電阻值太小,也不容易選購。

在Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器中,LED電流設(shè)定電阻有低端和高端電流取樣兩種方式,如圖1 所示。低端電流取樣直接對(duì)地檢測電流,設(shè)計(jì)簡單,但容易受到共模的干擾,取樣精度差。高端電流取樣不容易受到共模的干擾,取樣精度高,但需要差動(dòng)放大器。

2. AOZ1081工作特點(diǎn)

本文將基于AOZ1081來介紹反饋環(huán)的設(shè)計(jì),因此先介紹一下AOZ1081的工作特點(diǎn)。AOZ1081是一款降壓型Buck變換器,工作于電流模式,其特點(diǎn)可以讓它配置成LED驅(qū)動(dòng)器,同時(shí)也可以作為通用Buck變換器使用。其特點(diǎn)如下:

(1)內(nèi)置了低端的續(xù)流二極管,因此無需外加肖特基二極管;
(2)具有內(nèi)部的軟起動(dòng),因此無需外加軟起動(dòng)電容;
(3)0.25V的參考電壓,保證電流取樣精度同時(shí)降低電流設(shè)定電阻的功耗;
(4)輸入工作電壓為4.5V到16V,具有Power On Reset POR功能,輸入電壓到4V時(shí)開始工作,輸入電壓低于3.7V,關(guān)斷;
(5)具有連續(xù)的1.8A最大的輸出電流;
(6)占空比從12%到100%,輸入輸出壓差低時(shí)可以工作于LDO方式;
(7)1MHz的工作頻率,可以使用小體積的電感和電容;
(8)在EN管腳可以加到最高到200Hz的PWM波形進(jìn)行數(shù)字調(diào)光;
(9)具有過流保護(hù)OCP和輸出過壓保護(hù)OVP;
(10)芯片具有過溫保護(hù)OTP功能。

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3. 反饋設(shè)計(jì)

BUCK降壓型LED驅(qū)動(dòng)器仍然工作于峰值電流模式,其外環(huán)是取樣LED的電流,反饋環(huán)路維持LED電流恒定,這樣,輸出的電壓就由串聯(lián)的LED的正向壓降來決定。

和通用的峰值電流模式一樣,LED驅(qū)動(dòng)器功率級(jí)由一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)組成:

其中:CO為輸出電容,ESR為輸出電容等效串聯(lián)電阻,RL為等效負(fù)載電阻。

如果采用RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)RC和CC連接在AOZ1081的COMP管腳和地之間,相當(dāng)于增加一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)的補(bǔ)償:
其中:GEA是誤差放大器的跨導(dǎo),對(duì)于AOZ1081,為200•10-6A/V, GVEA為誤差放大器的增益,500V/V。

系統(tǒng)的穿越頻率fC決定系統(tǒng)的帶寬,帶寬越大,系統(tǒng)的響應(yīng)越快,但容易受到高頻的干擾。通用帶寬設(shè)為開關(guān)頻率的1/10,對(duì)于AOZ1081,開關(guān)頻率為1M左右,因此穿越頻率可選取小于75K。所以,反饋網(wǎng)絡(luò)可以用下式計(jì)算:
其中:VFB是參考電壓,對(duì)于AOZ1081,為0.25V ,GCS為電流檢測電路的跨導(dǎo),對(duì)于AOZ1081,為5.64A/V。

RC和CC形成的零點(diǎn)通常放大主極點(diǎn)fP1附近,但要低于1/5的穿越頻率,所以:

4. BUCK降壓型LED驅(qū)動(dòng)器反饋測量

對(duì)于通用BUCK降壓型變換器,可以直接在反饋分壓電阻器上部電阻中,直接串接一個(gè)100歐姆的電阻R,由R注入測試信號(hào),測量增益裕量和相位裕量,用于決定的系統(tǒng)的穩(wěn)定程度,如圖2所示。注意到,相對(duì)于輸出的負(fù)載電阻,此回路相當(dāng)于一個(gè)高阻抗回路,因此不影響系統(tǒng)的正常工作。


但是對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電路,不能直接將100歐姆的信號(hào)注入電阻串聯(lián)在LED的回路中,因此,LED回路是恒流工作,串入電阻后,就改變了的輸出的電壓和輸出功率,系統(tǒng)不是正常的工作狀態(tài)。

這樣,就必須引入一種隔離的電路,使注入的信號(hào)不影響電源系統(tǒng)的正常工作。通常,電壓跟隨器具有阻抗變化,也就是其輸入相當(dāng)于開路,輸出相當(dāng)于短路,同時(shí),時(shí)還具有緩沖的作用,也就是在信號(hào)源和負(fù)載之間緩沖,將輸入信號(hào)無損耗的輸出。因此,可以使用圖3的電路測量LED驅(qū)動(dòng)器的環(huán)路穩(wěn)定性。



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基于AOZ1081設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)器,輸入電壓4.5 V到16 V,輸出為一個(gè)HB LED,;使用Venable的3120測量環(huán)路,Rc=61.9kohm,Cc=820pF,測量波形和結(jié)果如圖4和表1所示。



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可以用圖5的負(fù)載跳變來驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,MOS驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為1kHz,負(fù)載電流從35mA到350mA跳變,波形如圖6所示




5. 結(jié)論

1)基于BUCK降壓型變換器LED驅(qū)動(dòng)器需要低的參考電壓,降低LED電流設(shè)定電阻所產(chǎn)生的功耗,從而提高效率。
2)基于BUCK降壓型變換器LED驅(qū)動(dòng)器仍然是峰值電流模式,外環(huán)采樣的采樣信號(hào)是LED的電流,輸出電壓由串聯(lián)的LED的正向壓降確定。
3)在FB管腳加電壓跟隨器,可以隔離電流取樣電阻和用于測量相位裕量的信號(hào)注入電阻,保持正確的測量。
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