采用优先升压控制技术改进LED性能
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作者：Allegro MicroSystems首席系统工程师Ben West
在LED驱动器脉宽调制 (PWM) 调光控制领域，最新出现的一项技术进展显著提高了系统可实现的最大调光比，降低了输出电压纹波，并消除了可闻噪声。本文将介绍一个全新的 LED 驱动器系列，通过采用Allegro获得专利的优先升压 (Pre-emptive boost，PEB) 控制算法，能够减少使用 PWM 控制进行 LED 调光时的输出电压纹波。与传统 LED 驱动器控制方法相比，这种算法能够验证PEB技术为PWM 调光带来的优势。
PWM通常用于控制一个或多个 LED 串的平均电流来进行 LED 调光，这是通过改变 LED 驱动器输入端的控制脉冲占空比来实现。
Allegro MicroSystems 符合汽车级AEC-Q100 标准的 A8060x / ALT8060x 系列（以下简称 A8060x）是最新一代先进 LED 背光驱动器，使用优先升压控制技术能够为LED的PWM调光带来优于传统升压控制方法的明显优势。
优先升压控制技术相对于传统和迟滞（hysteresis）控制方法具有下列优势：
较低的输出电压纹波允许使用更小的输出电容器，从而减小解决方案尺寸和成本。
较低的输出电压纹波还消除了陶瓷输出电容器中的可闻噪声。
允许更大的PWM 调光比（更小的脉冲宽度），同时保持稳压。
PWM 控制方法
传统升压控制
当PWM控制信号改变逻辑状态时，传统的升压控制 LED 驱动器会同时开启或关闭其升压开关和 LED 电流灌（current sinks）。在正向 PWM 信号转换后，电感电流需要多个开关周期才能上升到其稳态值。在此期间，LED 电流主要来自输出电容器，这种消耗会使输出电压下降，并可能导致 MLCC 输出电容器产生可闻噪声和大量输出电压纹波。
此外，由于输出需要足够的时间来恢复，这种输出电压下降限定了PWM信号导通时间可以有多长。过短的导通时间将无法为升压转换器提供足够的时间来补充输出电容器中的能量，从而导致输出电压下降和 LED 电流稳压失调。这将严重限制可实现的 PWM 调光比。
图 1：传统的 PWM 调光操作，升压开关和 LED 电流灌同时启用和禁用。
迟滞控制/升压扩展
对上述传统升压控制的一种改进方法是在 LED 电流灌关闭后将升压开关延长一段时间，从而有效地将输出电压提升到略高于正常稳压的水平，这是通过实施迟滞控制回路来实现，该回路在 Vout 下降到某个电压以下时将 Vout增大一个确定的量。这种迟滞（升压扩展）控制允许在比传统升压控制更短的 PWM 信号导通时间内运行，从而实现更大的调光比，但仍然比优先升压控制可达到的调光比更小。与传统升压控制类似，迟滞控制方法在升压开关开始时表现出较大的输出电压骤降，会导致较大的输出电压纹波和可闻噪声。
图 2：迟滞控制 PWM 调光操作。升压开关和 LED 电流灌同时启用，需要升压开关保持启用一段时间以提升 Vout。
优先升压控制
Allegro MicroSystems 获得专利的优先升压控制提供了一种可显著降低输出电压纹波的解决方案。 优先升压控制还允许较小的PWM信号导通准时运行，从而使 PWM 调光比高达 15,000:1。
PEB 控制的工作原理是相对于升压开关的开启而延迟 LED 电流灌的启动，这允许平均电感电流时间在电流灌开启并需要电流之前增大，结果是输出电压最初略有增加；然而，当电流灌打开时，预升压电感电流导致的输出电压下降可以忽略不计。
为了保持精确的 PWM 控制，在 PWM 控制信号转换为低电平后会施加相同的 PEB 延迟。使用这种控制方法，升压开关和电流灌同时关闭。
图 3：优先升压控制 PWM 调光操作。 LED 电流灌保持关闭，直到电感电流足以防止 VOUT 下降。
优先升压延迟的计算和优化
在计算优先升压延迟时，多种因素会影响最佳优先升压延迟时间 (tPEB)。这些因素包括但不限于：Vin、Vout、开关频率、电感值和 LED 电流。以下等式可用于近似 tPEB 设定点：
公式1：tPEB 设定点近似计算等式。
其中 fs 是开关频率，L 是升压电感器的电感。
理想的情况是设置一个tPEB，以便 LED 电流灌在达到平均稳态电感电流时打开。 tPEB 由A8060x 的 PEB 引脚与地之间的电阻器设置。一旦接近 tPEB，就应使用 A8060x 相应数据表优先升压部分中的PEB延迟与PEB电阻值曲线来确定电阻值。
等式 1 可以用作设计考虑的开始，但它是一个近似值，并非所有影响因素都被考虑在内。虽然未优化的 PEB 延迟时间也可以显著改善输出电压纹波，但最好在实验室中通过一些微调来优化此延迟。以下示例应用演示了这种优化结果。
应用示例
以下应用将针对 Vout 纹波进行评估和优化：
LED 驱动器，带有 6 个 LED 串，每串 8 个 LED。
标称输入电压：13.5 V。
输出电压：26.5 V。
输出电流：当电流灌处于活动状态时，6 串，100 mA/串。
升压电感：10 μH。
开关频率：2 MHz。
所采用LED 驱动器：Allegro MicroSystems A80602。
将 Vin、Vout、升压电感值和开关频率输入到公式 1 中会得到4.8 μs 的初始tPEB 设置点。如图4所示，从A80602 PEB引脚到地9.6kΩ阻值将导致大约 4.8μs的延迟。
图 4：A80602 PEB 延迟，电阻值与延迟时间关系。
优先升压延迟优化
计算近似 PEB 延迟后，最后一步是在实验室中构建和评估它。此时，可以优化 tPEB 以最小化 Vout 纹波。图 5 和图 6 分别显示了未优化和优化后的 PEB 延迟。虽然较长的未优化延迟会导致非常令人满意的 Vout 纹波性能，但可以通过调整 tPEB 进一步降低这种纹波，以便 LED 电流在达到平均电感电流时立即开启。在此示例中，优化将 Vout 过冲从 260 mV 降低到 150 mV。
图 5：未优化的 PEB 延迟，延迟为4.8μs，Vout 过冲为260mV
图 6：优化的 PEB 延迟，延迟为2.8μs，Vout过冲为150 mV。
PEB控制降低对输出电容器的要求
优先升压控制能够产生比传统或迟滞升压控制小得多的输出电压纹波。因此，需要的输出电容要小很多，从而可降低解决方案的尺寸和成本。图 7为迟滞升压控制 LED 驱动器与 PEB 控制的比较，其中显示了三个不同的 Vout 曲线。顶部曲线是迟滞升压控制 LED 驱动器的 Vout。下一条曲线显示了 PEB 控制 LED 驱动器的 Vout，其输出电容与迟滞升压控制器件相同。第三条迹线是同一PEB 控制器件的 Vout，但只有 25% 的输出电容。即使输出电容大幅降低，与迟滞升压控制的转换器相比，采用PEB控制的转换器呈现出更小的输出电压纹波。
当 PWM 转换为高电平时，通过 PEB 控制，Vout 不会明显过冲。但是，当 PWM 为低电平时，转换器不会进行调节并且 Vout 会下降，具体取决于输出电容、PWM 频率和 PWM 占空比。对于给定的 PWM 频率和占空比，更大的输出电容将降低 Vout 下降，进而减小总 Vout 纹波。比较图 7 中两条较低的 Vout 曲线时，可以看出降低输出电容的效果。
陶瓷输出电容器产生的可闻噪声在具有高 Vout 纹波的应用中很常见。随着电容器外壳尺寸变大，这种噪声往往会变得更糟。所需输出电容的减少允许使用外壳尺寸更小的电容器，从而降低可闻噪声水平。如图 7 中的迟滞升压控制曲线所示，较大的Vout 纹波会在某些应用中会产生可闻噪声，而PEB 控制技术较小的Vout纹波能够解决这个问题。
图 7：Vout 纹波、迟滞控制与 PEB 控制。
其它特性
A8060x系列是一个非常灵活且功能丰富的 LED 驱动器产品组合，非常适合于信息娱乐系统背光、平视显示器和内部/外部照明等汽车应用，这些产品已经通过汽车 AEC-Q100 认证，可提供广泛的故障保护功能，并具有宽输入电压范围，以满足负载突降、停止/启动和冷车发动等要求。
ALT80600 和 A80603 将开关转换器与集成式升压 MOSFET整合在一起，A80601、A80602、A80604、A80605、A80606 则可驱动外部升压MOSFET，以获得更高的输出功率。 ALT80600、A80601、A80603 和 A80604 具有四个LED电流灌，而 A80602、A80605 和 A80606 则具备六个电流灌。对于更高电流应用，这些电流灌中的一些或全部可以并联连接使用。该系列器件中的每一个都可以配置为升压或单端初级电感转换器 (SEPIC) 拓扑架构，以涵盖更广泛的应用配置。开关转换器专为低 EMI 而设计，能够提供可编程开关频率、受控开关压摆率和可编程抖动等特性。
A8060x 系列优先升压控制可实现高达 15,000:1 的高PWM 调光比。如果需要进一步增大调光比，可以使用 A8060x 的模拟调光功能将最大调光比增加到 150,000:1。
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