在科技高度发展的今天,电子产品的更新换代越来越快,LED 灯的技术也在不断发展,为我们的城市装饰得五颜六色。针对 LED 照明负载特点,目前非隔离式的恒流驱动电源的拓扑结构基本上是 BUCK 降压结构,传统的方案是通过固定关断时间来固定峰值电流,从而达到固定输出电流的控制策略。

 

本文将讨论这种控制策略实现恒流的原理,分析这种开环控制策略的优缺点,和应用这种控制策略需要做的外围补偿,同时基于占空比半导体公司新产品 DU2401 芯片,介绍这种全新的闭环电流控制策略,详细介绍这种控制策略如何突破性提高 LED 输出电流精度,从开环到闭环是其本质的突破。

 

 

2 原理与设计

2.1 目前 LED 非隔离恒流驱动电流领域主流的控制策略

 

如图 1 所示,电路是 BUCK 降压结构,芯片控制的是 MOSFET 的源极,这是一种开环的恒流电流控制方式,控制原理如下:

 

芯片内部有两个比较器,其比较参考电平分别为 Vpk 和 Vvalley,与之比较的是 Rs 两端的电压。

 

Vin 上电时,电感 L 和电流采样电阻 Rs 的初始电流为零,LED 输出电流也为零。这时候,CS 比较器的输出为高,内部功率开关导通,SW 的电位为低。电流通过电感 L、电流采样电阻 Rs、LED 和内部功率开关从 Vin 流到地,电流上升的斜率由 Vin、电感 L 和 LED 压降决定,在 Rs 上产生一个压差 Vcs,当(Vin-Vcs)>Vpk 时,CS 比较器的输出变低,内部功率开关关断,电流以另一个斜率流过电感 L、电流采样电阻 Rs、LED 和肖特基二极管 D,当 Vin-Vcs

 

所以,这种开环的控制策略是,根据两个比较电平参考电位 Vpk 和 Vvalley,来设定电感电流的峰峰值,从而起到了设定输出平均电流值的效果。

 

这是一种简单有效的控制策略,但是由于这是一种开环控制模式,只能检测电感上的峰值电流,无法检测输出电流,外部条件发生变化时,两个比较器都会产生延时,输出电流精度在三种情况下容易出现偏差:

 

1、当输出电压发生变化时(如:不同的 LEDVf 和不同串数)

 

2、当主电感感量发生变化时(如:实际上量产的精度不高)

 

3、当输入电压发生变化时。

 

2.2DU2401 如何实现真正全闭环的恒流控制

 

所谓的闭环,即真正检测输出电流值,以此为标准来发出 PWM 信号。所谓开环,不以检测到的输出电流值来做发出 PWM 信号的参考。从电路拓扑上,二者没有区别。但是在芯片内部对检测到的如图 2CS 脚电感电流信号,做专利技术处理,如图 3TRUEC2 部分。这样,就检测到了电感电流的平均值,也就是输出电流的平均值。芯片针对检测到的值,控制输出占空比,实现了闭环控制。

 

另外,图 1Rs 电阻串联在 Vin 和 LED 负载之间,这意味着不论芯片内部开关管开通和关断,Rs 都将通过电流。图 2 的全闭环 LED 射灯驱动电源中,Rs 只在开关管开通的时候,有电流通过,这也是全闭环控制带来的好处。这样会带来一个非常显著的性能提高,因为 Rs 电阻的能耗减少,会提高整个系统的效率。DU2401 达到了业内最高的 98%的效率,正是基于这种全闭环控制策略。

 

3 实验验证

我们选择了一个典型 LED 射灯应用来做 IC 功能验证,基本电参数要求如下:

 

输入电压范围:12.5~30VDC 效率:>90%

 

输出电压范围:3~10.5VDC 输出电流:700mA

 

对于输入电压、负载 LED 变化情况下,我们测试得到如下交叉调整率结果:

 

图 5 可以看到,由于闭环控制,在设计的正常工作范围内,输出电流维持定值,单颗系统可以认为是恒定的输出电流,即线性、负载调整率理论值是 0。量产时,由于参数一致性分布,大量数据表明,恒流精度小于±0.9%。

 

对于输出电感变化,我们测试到如下结果:

 

图 6 反映的是电感大范围变化(设计标称值 68uH)时,输出电流的变化,如左图。如果这种测试用于目前市场上开环系统芯片,电流会出现线性的大范围波动,如右图。而 DU2401 闭环的方式,使得输出电流依然保持±0.9%以内的恒流精度。充分说明了闭环系统对于整个系统恒流精度提高的重要性。

 

基于图 4 的极简线路,如图 9、图 10 显示,此方案可以在非常小的尺寸下实现 3W 的输出功率。这样的小尺寸,对于空间狭小,要求很高的射灯,有实际的意义。高功率密度是 LED 灯具对 LED 驱动电源提出的要求,更优的控制方式是实现更高的功率密度的根本途径。

 

由图 11 可以看到基于 TRUECC 专利技术的高性能 LED 射灯方案成本只有 1.45 元,成本上优势很大。

 

4 结论

全闭环控制,检测输出电流,来发出 PWM 信号,是真正的恒流电源驱动控制技术。实验表明,相对于其他非闭环的方案,这种独有的闭环恒流控制技术使输出电流精度有了质的飞跃,使整机电源在全电压、全负载、电感变化范围内的电流精度达到行业内目前最高的±0.9%。相信在未来的科学技术更加发达的时候,LED 会以更加多种类的方式为我们的生活带来更大的方便,这就需要我们的科研人员更加努力学习知识,这样才能为科技的发展贡献自己的力量。