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一种滞环控制的LED驱动设计

时间:07-10 来源:互联网 点击:

0 引言

LED 的发光效率目前已经达到并且正在超过荧光灯.HID 灯等传统光源的水平,在通用照明领域将逐渐成为主流光源.由于LED 照明光源具有高光效.长寿命.节能环保,耐用等优点,近年来LED 应用以及驱动已经成为研究热点.在相同工作电压下,LED的正向导通压降因受工艺离散性的影响而呈现出一定的差异,所以恒流驱动是白光LED 的最佳选择.目前的电流控制方式主要有峰值电流控制,滞环控制,平均电流控制,和固定导通时间控制(COT)等控制方法.主流的峰值电流控制存在平均电流和峰值电流不一致的问题;且当电路占空比大于0.5时,有次谐波震荡现象,需要增加斜坡补偿电路,因此增加了电路复杂性.平均电流模式能精确控制平均电流,但是控制方法实现复杂,且仍需斜坡补偿电路.滞环电流控制模式中,LED的平均驱动电流值由内设阈值Imax和Imin决定,不存在类似于峰值电流控制模式问题,能较好地解决峰值电流控制的缺点,且无需额外斜坡补偿电路,电路结构简单.滞环控制具有自稳定性.动态响应迅速等优点,应用广泛.

有人设计的滞环电路,结构简单,稳定性好,但无调光电路设计.有人提出一种滞环跟踪控制电路,对电路进行仿真与理论分析,但电路无调光功能,且主电路为传统的降压电路,MOS 管驱动设计困难.此外电路还采用D触发器限制频率抖动范围,但同时也限制了电路的带负载能力,且瞬态响应变差.

本文在基础上,采用新的降压电路,去掉了D 触发器,设计了一款带有数字PWM 调光的LED 驱动电路.

1 原理与设计

1.1 工作原理

本文设计的滞环LED 驱动电路由主电路.电流检测电路,滞环控制电路三个部分组成.当MOS 管导通时,续流二极管D截止,电感L 电流上升,取样电阻Rs两端电压差值变大,将此电压差值通过差分放大电路,反馈至滞环控制电路,与滞环控制电路设定的阈值电压VH或VL相比较.如图1所示,当电压达到滞环控制系统的电压的上限值VH 时,比较器输出电平翻转,关断MOS管,由于电感电流iL 不能突变,此时感应出一个反向电压,续流二极管D导通.电感放电,当放电至电压低于滞环控制系统的电压的下限VL 时,比较器电压翻转,MOS 管导通,循此反复,限制了电感电流的峰值和谷值,从而达到了控制LED电流平均值.

1.2 电路分析滞环控制的LED 驱动电路主要由主电路,电流检测电路,滞环控制电路,以及数字调光电路组成.如图2中主电路由RS,电感L,续流二极管D,开关器件MOS,以及负载LED.Vi为输入电压,RS为检测电阻.电路稳定时,忽略续流二极管与Rs的导通压降可得:

式中:Vi 为输入电压,Vo 为LED 两端电压,Ton 为导通时间,Toff为关断时间.

由式(1)可得:

电流检测电路为高边电流检测电路[5-7],滞环控制电路为电路的核心.有人分析了电流检测电路以及滞环跟踪电路,并进行了仿真分析.

将滞环控制电路的输出逻辑信号与数字调光信号相与,可得到调制的PWM 调光信号,控制MOS 管的导通与截止,实现数字PWM调光.

2 实验

2.1 关键点波形测试

在上述分析的基础上,设计了实验电路进行验证,电路参数为:RS取0.5 Ω,电感L的值为220 μH,续流二极管为SS34,开关MOS管选用IRFR024,电流检测器采用LM358通用运放,比较器选用LM393,与非门用74HC00,MOS 驱动选用UCC27524D,R1=R2=4.7 kΩ,R3=R4=47 kΩ,R7=500 Ω,R6采用3个200 Ω电阻并联,R5=910 Ω.

图3(a)所示为实验电路占空比较大时,通过LED电流iRS 与MOS 管门极电压VGS 波形图.图3(b)为占空比较小时,通过LED电流iRS与MOS管门极电压VGS波形图.通道1为电流探头测得通过LED的电流波形,通道2为MOS管门极电压VGS波形.

由图3(a).图3(b)可知iRS 电压在一个最大值与最小值之间滞环变化,VGS 从最大占空比与最小占空比之间变化.该图形表明,该滞环电路能稳定iRS平均电压,即稳定输出电流Iled.且占空比变化范围大,能适应大范围输入电压变化或输出负载变化的场合.图4为调光信号占空比为0.5时的电路的工作波形图,通道1的波形为加入调光信号后输出的电流波形图.通道2为频率300 Hz 脉宽从1%~99%可调的PWM 数字调光信号.

2.2 实验数据测试与分析

图5数据图形为分别对1颗1 W,3颗1 W,5颗1 W的电路进行输入电压,输出电流的数据测试图.由图可知电路滞环控制跟踪性能好,能较好的稳定电流较好.

输入电压与输出电流几乎呈现线性比例关系,输入电压升高输出电流缓慢增大.主要原因可能为占空比变化范围较大,电路条件改变导致的反馈环路的稳定性变差以及电路的固有延时.由设定参数可得平均电流为360 mA.实测效果为330 mA左右,主要为差分放大

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