一种滞环控制的LED驱动设计

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