一种滞环控制的LED驱动设计

摘要：设计了一种滞环控制的带数字PWM调光的LED驱动电路，并对它进行了分析与实验。该驱动电路采用高边电流检测方案，通过设定的阈值电压限制高端检测电阻两端的电压差值，从而控制流经电感的峰值和谷值电流，以此达到控制通过LED的平均电流值。实验结果表明滞环控制的LED驱动电路稳定，且能较好地解决峰值电流控制方式下的平均电流与峰值电流不一致的问题。由于滞环控制的自稳定性，故无需额外斜坡补偿电路，相对其他控制电路结构简单。此外电路还设计了数字调光功能。通过改变PWM信号的占空比，可以改变输出电流大小，测试结果袁明数字调光信号可以平滑调节输出电流的大小，调光效果好。
关键词：LED驱动电路；滞环跟踪；峰值电流；调光

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。
    文献设计的滞环电路，结构简单，稳定性好，但无调光电路设计。文献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。
    本文在文献的基础上，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：
    (Vi-Vo)Ton=VoToff     (1)
    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：
    ViTon=VoT      (2)
    电流检测电路为高边电流检测电路，滞环控制电路为电路的核心。文献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220μH，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 买验数据测试与分析
    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，主要为差分放大电路的4个差分放大电阻匹配不精准，导致放大倍数与理论值有差异，此外放大倍数还与运放的放大带宽有关。

    表1的测试结果表明，在常温条件下，对1颗灯珠在20 V输入时，300 Hz PWM数字调光信号占空比D从0．1％变化到99．9％的输出电流测试结果中，电流与占空比在5％～95％之间基本成线性关系，每5％增加20 mA左右的电流，调光效果好。其中测试占空比为2％～3％或96％～99％时电流出现反常现象，其主要原因为，电路一般要3～4个正常的开关周期才能正常工作，所以当占空比过小时，电路还没有正常工作MOS-FET门极电压又变为低电平关闭了。当占空比太大时，MOS-FET门极电压为低电平时，电路还没有正常关断下一个导通时间又到了，导致电路又开启，所以电流出现反常现象。

3 结语
    研究设计了一种高边电流检测的滞环控制的LED驱动电路。电流滞环控制方式解决了电流峰值控制中峰值电流与平均电流不一致的问题，并且没有峰值电流控制中出现的占空比大于0．5时次谐波震荡现象，故无须斜坡补偿电路，电路结构相对简单。能适应宽范围类电压输入以及较大范围负载变化的场合。且电路实现了数字PWM调光，实验测试结果表明电路性能稳定，调光效果好，无闪烁，电流平滑变化，能适应需要智能调光的场合，符合节能的要求以及可以用在原边反馈，次级输出电压波动较大的无光耦反馈的廉价场合。