驅(qū)動(dòng)LED串的DCM升壓轉(zhuǎn)換器簡化分析（2）：實(shí)際考慮

　　本文的第1部分專門對(duì)驅(qū)動(dòng)LED串的升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了理論分析。激發(fā)這項(xiàng)研究的是穩(wěn)定汽車應(yīng)用背光驅(qū)動(dòng)器環(huán)路的需求。由于應(yīng)用了脈寬調(diào)制（PWM）進(jìn)行調(diào)光控制，環(huán)路控制就是一項(xiàng)會(huì)影響最終性能的重要設(shè)計(jì)考慮因素。第2部分介紹應(yīng)用的方案，并將對(duì)比驗(yàn)證測量的頻率響應(yīng)與理論推導(dǎo)數(shù)值。

　　LED調(diào)光控制系統(tǒng)電路圖

　　高亮度白光LED的模擬調(diào)光會(huì)產(chǎn)生色偏。PWM數(shù)字調(diào)光控制是預(yù)防色偏的首選調(diào)光方法，因?yàn)榘l(fā)光強(qiáng)度將是平均流明強(qiáng)度。PWM導(dǎo)通周期期間的LED電流幅值與調(diào)光比為獨(dú)立互不影響。

　　圖1代表的是汽車應(yīng)用LED調(diào)光控制系統(tǒng)，其在關(guān)閉模式下靜態(tài)電流消耗低于10 μA。它采用安森美半導(dǎo)體的NCV887300［1］ 1 MHz非同步升壓控制器，此器件以恒定頻率不連續(xù)峰值電流模式工作。負(fù)載包含一串共10顆的串聯(lián)Nichia NSSW157-AT［2］白光高亮度LED。相應(yīng)的電路板如圖2所示。

　　圖1：應(yīng)用了NCV887300的LED PWM調(diào)光控制電路。

　　圖2：NCV887300 LED演示電路板。

　　為了方便分析，下面列出了NCV887300控制器的關(guān)鍵參數(shù)：

　　- VIN = 13.2 V時(shí)，靜態(tài)電流 （Iq）?< 6 μA （-40 °C?< TJ?< 125 °C） 。

　　- EN/SYNC引腳：能夠連接至外部TTL指令。引腳有雙重功能，還支持振蕩器同步至外部時(shí)鐘

　　- ISNS：升壓晶體管電流感測限流閾值電壓為400 mV；內(nèi)部斜坡補(bǔ)償為130 mV/μs。

　　- VC：內(nèi)部運(yùn)算跨導(dǎo)放大器（OTA）補(bǔ)償引腳。在封裝引腳與放大器輸出之間有一顆裸片級(jí)的542 W ESD中聯(lián)保護(hù)電阻。典型跨導(dǎo)gm為1.2 mS。OTA提供100 μA汲電流/源電流能力。

　　- VFB：LED 電流感測電阻R29根據(jù)約200 mV的內(nèi)部參考電壓來調(diào)節(jié)。

　　圖1所示LED PWM調(diào)光控制電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)及工作原理如下文所示。

　　設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　在6至18 V輸入電壓工作范圍下，此電路在200 Hz PWM調(diào)光頻率時(shí)能支持1000:1的PWM調(diào)光比，使得計(jì)算出的最小脈沖寬度為5 μs。工作頻率為1 MHz的NCV887300能產(chǎn)生最少5個(gè)升壓晶體管門脈沖，以維持提供給LED電流的輸出電容電荷。需要不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來維持穩(wěn)壓，因?yàn)樵诿總€(gè)門脈沖過后升壓電感能量全部被釋放。連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓性能較差，且?guī)聿缓弦蟮哪M調(diào)光，因?yàn)樯龎弘姼械哪芰吭鰪?qiáng)慣性要求數(shù)個(gè)工作周期。

　　輸出漏電流損耗必須減至最低，以幫助維持深度調(diào)光工作期間的輸出電容電荷。漏電流導(dǎo)致LED PWM關(guān)閉時(shí)間期間出現(xiàn)一些輸出電壓放電，反過來產(chǎn)生一些模擬調(diào)光，使PWM恢復(fù)導(dǎo)通時(shí)間時(shí)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)顯著誤差。

　　- 肖特基整流器遭受跟溫度相關(guān)的大漏電流影響。為了將升壓整流器漏電流減至最小，電路中選擇了超快技術(shù)的升壓整流器。

　　- 陶瓷電容的漏電流比電解電容低得多，是首選的輸出升壓電容。

　　- 輸出過壓監(jiān)測電路電流消耗必須保持在最低值。利用接地之電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測電路是不適合的。此電路中選擇了齊納激發(fā)的過壓檢測電路，因?yàn)辇R納拐點(diǎn)（knee）電壓比電池電壓高得多，而漏電流極低。

　　電路工作信息

　　Q18阻斷數(shù)字電流，用于PWM數(shù)字調(diào)光控制。當(dāng)PWM指令為有源低電平時(shí)，D34將IC的VFB反饋控制電壓鉗位至低于控制器穩(wěn)壓點(diǎn)的值，并阻斷升壓IC GDRV FET門驅(qū)動(dòng)信號(hào)。Q15用作補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采樣/維持功能，用于深度調(diào)光應(yīng)用。通用在PWM調(diào)光期間斷開補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接，反饋補(bǔ)償電容電荷（C31及C32）被維持，而當(dāng)PWM指令變?yōu)橛性锤唠娖綍r(shí)快速動(dòng)態(tài)控制就恢復(fù)。

　　Q14與R48/R49/R51/R52一起用于1.8 V邏輯PWM調(diào)光信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換，U7緩沖PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)雙向開關(guān)Q15。

　　如果未檢測到LED開路故障事件，將會(huì)導(dǎo)致過壓工作條件。電流感測電阻R29電壓反饋將為0 V，就會(huì)產(chǎn)生環(huán)路開路輸出過壓條件。電路中選擇了分立無源元件以應(yīng)用過壓保護(hù)功能，在LED系統(tǒng)被從外部關(guān)閉時(shí)將輸出漏電流損耗減至最小。D31齊納二極管感測過壓條件，通過將啟用（enable）引腳拉為低電平、中斷升壓開關(guān)工作（D28），引發(fā)控制器IC的軟啟動(dòng)（D29）。電阻R30為輸出升壓能量存儲(chǔ)電容C22提供放電通道。

　　移除跳線J1將關(guān)閉LED鏈，以支持連接至VOUT端子與LED端子之間的外部負(fù)載。

　　電阻R44是頻率響應(yīng)分析儀在VFB與FB端子的信號(hào)注入點(diǎn)。它的存在不會(huì)影響系統(tǒng)環(huán)路響應(yīng)。通過在R44兩端注入頻率響應(yīng)分析儀信號(hào)，將可以測量控制輸出（FB/VC端子）、放大器（VC/VFB）及閉環(huán)形式中的開路增益（FB/VFB）響應(yīng)。

　　LED交流動(dòng)態(tài)阻抗特性鑒定

　　根據(jù)制造商數(shù)據(jù)表中在特定工作條件下測得的特征曲線，可以近似得出LED動(dòng)態(tài)阻抗。系統(tǒng)具體熱工作條件可能大不相同。第1部分的文章中介紹了系統(tǒng)LED動(dòng)態(tài)阻抗的系統(tǒng)級(jí)方法，這方法對(duì)器件進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)熱條件下的特性鑒定。就第2部分的文章而言，我們使用頻率響應(yīng)分析儀，在100% PWM占空比的熱穩(wěn)定工作條件下，測量電路內(nèi)的電流感測電阻、PWM FET阻抗及累積串聯(lián)動(dòng)態(tài)阻抗（見圖3）。

　　圖3：電流感測反饋網(wǎng)絡(luò)的電路內(nèi)小信號(hào)響應(yīng)。

　　閉環(huán)分析

　　第1部分的文章中推導(dǎo)出了控制輸出（Vout）表達(dá)式H（s）。功率提供給LED串，但反饋控制項(xiàng)是LED電流感測電阻電壓VRsense （見圖4）。受控系統(tǒng)傳遞函數(shù)H（s）必須根據(jù)等式（1）來調(diào)整。

　　圖4. 電流感測反饋

?

　　其中：

　　Vc可以從等式（8）獲得。

　　在熱穩(wěn)定的系統(tǒng)級(jí)工作條件下測量了LED動(dòng)態(tài)阻抗、串聯(lián)PWM晶體管及電流感測電阻參數(shù)。VIN = 12 V、Iout = 116 mA為工作參數(shù)。測得的開環(huán)響應(yīng)Hc（s）波特圖及測量結(jié)果如圖5所示。表1列出了測得的參數(shù)，用于計(jì)算圖1所示的電路圖。

　　圖5. 控制至輸出響應(yīng)——測量結(jié)果與計(jì)算值對(duì)比

　　表1. 演示板電路參數(shù)

　　在高頻時(shí)，理論計(jì)算與實(shí)證階段測量值之間的差異變得明顯。差異歸因于等式（1）的調(diào)制傳遞函數(shù)分子中缺少RHPZ項(xiàng)，在參考資料［4］的簡化計(jì)算中被描述為一項(xiàng)局限。

　　低頻增益理論值與測量結(jié)果之前的些微差異（約1 dB）被觀察到。升壓電感、晶體管及整流器的工作損耗在推導(dǎo)直流工作點(diǎn)的過程中被忽略。如果顧及這樣的損耗，占空比直流 工作點(diǎn)將會(huì)略大，導(dǎo)致低頻增益減少。通過調(diào)整 等式（2）中的Vin （減小輸入電壓以減小電阻損耗）及Vout（增加輸出電壓以納入升壓二極管電壓降）項(xiàng)，就可以觀察到這一點(diǎn)。

　　系統(tǒng)性能

　　圖1中所示的LED調(diào)光電路的1000:1 200 Hz PWM調(diào)光工作波形如圖6所示。VC波形上有少許補(bǔ)償電容電壓放電，這是Q9雙向開關(guān)響應(yīng)時(shí)間與透過D19的PWM鉗位激活之間的競爭條件產(chǎn)生的結(jié)果。電阻R29被引入，與鉗位二極管D19串聯(lián)連接，以限制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電荷耗盡。VFB波形維持想要的數(shù)字波形及幅值（無模擬調(diào)光）。

　　PWM信號(hào)指令轉(zhuǎn)為低態(tài)后出現(xiàn)額外短路持續(xù)時(shí)間GDRV波形（第6個(gè)脈沖），這是NCV887300內(nèi)部邏輯傳播延遲響應(yīng)時(shí)間的結(jié)果。此額外脈沖的能量有利于幫助維持輸出升壓電容中的電荷，因?yàn)樗a(bǔ)償了深度PWM調(diào)光工作模式期間的某些寄生漏電流能量損耗。

　　圖6：1000:1 200 Hz深度調(diào)光工作

　　結(jié)論

　　本文第1部分介紹的驅(qū)動(dòng)LED串的DCM升壓轉(zhuǎn)換器的理論小信號(hào)響應(yīng)等式在本文第2部分中有效地應(yīng)用于分析LED PWM調(diào)光電路。我們探討了200 Hz 1000:1深度調(diào)光能力的實(shí)際層面問題。我們得到了仿真和測量結(jié)果，與忽略相位誤差的情況進(jìn)行比較；由于理論表達(dá)式中缺少RHPZ項(xiàng)，導(dǎo)致高頻時(shí)出現(xiàn)相位誤差。1000:1 200 Hz PWM工作波形顯示出了極佳的工作性能。