玩轉(zhuǎn)升壓調(diào)節(jié)器——預測LED驅(qū)動器反饋環(huán)路

在進行功率級小信號建模時，升壓調(diào)節(jié)器與降壓調(diào)節(jié)器相比有兩個缺點：第一，它有一個由占空比和負載決定的右半平面(RHP)零點，從而加大了模型的推導復雜性；第二，升壓調(diào)節(jié)器不如降壓調(diào)節(jié)器常用，因而其沒有在推導精確小信號模型方面付出太多努力。本篇文章，我們將介紹一種面向電流模式升壓轉(zhuǎn)換器 (作為電壓調(diào)節(jié)器使用)的簡化模型，同時給出為了預測升流調(diào)節(jié)器行為需要對標準做法進行的幾項修改建議。

峰值電流模式控制(在升壓調(diào)節(jié)器中控制電感器/開關電流，而不是輸出電流)在低端控制器和單片IC中隨處可見，它們的控制開關發(fā)射極/源極與系統(tǒng)地相連。所有常見的可用低端控制器實現(xiàn)的開關調(diào)節(jié)器，諸如升壓、反激(flyback)、單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)和Cuk轉(zhuǎn)換器，都有 RHP零點。通過將一個輸出LC極點移到高于控制環(huán)帶寬的高頻，電流模式控制簡化了控制到輸出的轉(zhuǎn)換功能。電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的性能都可以借助如下的功率級轉(zhuǎn)換方程進行預測：

公式中電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的不同，可以參考下面的圖1a和1b。

DC增益

(左邊為電壓穩(wěn)壓器；右邊為電流穩(wěn)壓器)

Gi是控制器IC的參數(shù)，ROP = VO / IF

系統(tǒng)極點

(上面為電壓調(diào)節(jié)器；下邊為電流調(diào)節(jié)器)

RHP零點

(上面為電壓調(diào)節(jié)器；下面為電流調(diào)節(jié)器)

對升壓和升流調(diào)節(jié)器來說，下面的數(shù)值是一樣的：

占空比

(VD是輸出二極管壓降，典型值為0.5V)

ESR零點

采樣雙極品質(zhì)因數(shù)

固有的電感電流斜率

斜率補償

(Vm是控制器IC的參數(shù)；fSW是開關頻率。)

采樣雙極拐角頻率：

到目前為止，從電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為電流調(diào)節(jié)的最大變化在于DC增益，它源自于與RO相比值很小的rD，以及由組合負載和反饋路徑產(chǎn)生的電阻分壓器效應?？紤]一個輸入12V 、輸出36V/1A的電壓調(diào)節(jié)器，DC增益計算得出的結(jié)果約為30dB。對比一下，驅(qū)動10個白光LED((VO ≈36V)的電流調(diào)節(jié)器，電流也為1A、輸入也為12V，其DC增益僅為6dB。

放大的電流感應

幾乎所有帶可調(diào)輸出的調(diào)節(jié)器，都可改裝成一個LED驅(qū)動器，但簡單地用led串替換頂部反饋分壓電阻并用電流感應電阻替換底部反饋電阻，將耗費電能并產(chǎn)生熱量。若不對電流感應電壓進行放大以匹配1.25V的標準能隙基準電壓，則當 1A電流通過LED時，電流感應電阻的功耗為1.25W。但其對整個控制環(huán)的影響不大。降低的RSNS值大致抵消了增加的增益。對于增益ASNS來說，DC增益可通過下式得出：

圖2顯示的是采用低成本運放的電流感應放大器的實際應用。20Ω的加入電阻(injection resistor)將被放在運放輸出和穩(wěn)壓器的FB腳之間。

結(jié)論：

預測并測量用升流變壓器驅(qū)動的LED控制環(huán)路響應，需要對標準作法進行以下幾方面的修改。

LED驅(qū)動器被看作恒流源，它沒有電壓穩(wěn)壓器必須克服的負載瞬變。忽略“控制到輸出”的響應，而利用一個積分電路進行簡單補償?shù)淖鞣ň哂形Α?

HBLED驅(qū)動器需要仔細進行分析，以提供高DC增益(為確保輸出電流的準確性)；另外，由于采用PWM調(diào)光，因此帶寬要盡量寬。需要一個快速的控制環(huán)路，用來對響應該調(diào)光信號的輸出電流進行迅速瞄準，其重要性等同于電壓調(diào)節(jié)器的負載瞬變響應。

在這里，審慎預測、仔細設計和準確測量對升壓LED驅(qū)動器的重要性，不亞于其對升壓調(diào)節(jié)器的重要性。

圖1: (a)電壓調(diào)節(jié)電路；(b)電流調(diào)節(jié)電路。

圖2：電流感應放大器。