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分析Boost和Buck-Boost等拓扑结构的LED驱动

作者:时间:2009-09-23来源:网络收藏

  欧盟提出了世界上最严格的法律规定:任何高于25瓦的光源都要具有PFC。没有几年,北美和亚洲也做出了同样的规定。诸如UL和CE这样的安全标准电气规定限制了供给boost的AC/DC供电输出电压。通常电压规定为12和24V,有时是48V。这些中间电压总线很少超过60V,也就是ULClass2定为DC电压的最高值。

  调节器

  不管我们是否要控制输出电压或输出电流,调节器都要比Buck调节器更难设计。持续导通状态(CCM)转换器中的平均感应电流等于负载电流(电流)乘以1/(1-D),这里D是占空度。Boost电压调节器需要设计者考虑到输入电压的限制来保证电感的正确设计,特别是额定峰值电流。

  Boost 加了一个可变输出电压,这个电压影响了占空比,因此也影响了主电感器的电感值和额定电流。为了避免电感饱和,最大平均值和电流峰值必须由VIN-MIN和VO-MAX同时求出。例如,历数加工、电流和模具温度,一个标准的白InGaN LED的VF可以从3V变到4V。串联的LED越多,VO-MIN和VO-MAX的间距就越大。

  不同于带有输出电感的Bulk调节器,Boost转换器有一个非持续输出电流。因此,输出电容需要输出电压要持续(输出电流也如此)。这里,电压调节器中的输出电容被设计成兼有滤波器并且在负载瞬变时可以保持输出电压,在电流调节中,它只是起到了类似一个AC电流滤波器的作用。电容值要尽量低,并且要与所期望的LED波动电流保持一致。输出电容越小(同时也可以尽量降低成本和大小),转换器对输出电流的回应就越快,这样LED的调光反应就越好。

  Boost转换器的另外一个严峻挑战是控制环。Buck调节器允许电压模式的PWM控制、峰值电流模式的PWM控制、constant/controlledon-time以及其它的滞后控制。注意到处于CCM的Boost调节器(低功率、便携设备除外)的右半平面零和在控制开关关闭的时候还在向输出供电的特性,它们几乎被限定在峰值电流模式PWM控制。要设计一个控制输出电流的BoostLED驱动,控制环必须要把LED看作是负载来,这与Boost电压调节器的典型负载非常不同。

  在峰值电流模式控制中,负载阻抗对DC增益和控制到输出转换函数的低频极点有很大影响。对电压调节器来说,负载阻抗由输出电压与输出电流的比值来决定。LED是个拥有动态电阻的二极管。这个动态电阻只能通过做出VF(IF)曲线,然后用切线来找到希望的前向电流的斜率来决定。如图1所示,电流调节器使用负载本身来作为反馈分频器来闭环。这就使DC增益降低了(RSNS/(RSNS+rD))倍。

  我们趋向于用一个简单的积分器牺牲稳定带宽来补偿BoostLED驱动。事实上是大多数或者说许多LED驱动应用需要调光。无论调光是通过IF的线性调节(模拟调光)来完成,还是通过高频打开或切断输出(数字或PWM调光)来实现,系统都需要像电压调节器实现的高带宽和快速瞬变回应。

  Buck-boost调节器

  照明用LED的开发要比固态光源标准的发展快得多。大量不同种类的LED拥有很多不同的供电电压。串联的LED的数目、种类及其不同的加工和模具温度都产生了不同的输出电压。例如,高端汽车正在过渡到利用LED来作为日间行驶灯。三个3瓦白色LED组成了一个12V1A的负载。汽车电压系统通常需要持续工作于9到16V,并且可以延伸到*2V,使系统可以无损运行,但是其性能可能要有折扣。通常来说,Buck调节器是最好的LED驱动器,其次是Boost,但是在这个应用中,他们没有优劣之分。如果一定要用Buck-boost调节器,最难的决定就是采用哪种

  任何的Buck-boost调节器和Buck调节器或Boost调节器的最基本的区别是Buck-boost从来没有把输入供电直接连接到输出。在一部分转换环中,Buck和Boost调节器把VIN连接到VO(通过电感和开关/二极管),这个直连使它们更有效率。

  所有的Buck-boost都把所有要传送给负载的能量储存或者磁场(电感或变压器)或者电场(电容)中,这样就导致了电源转换中的高峰值电流或者更高电压。特别的一点是要考虑在输入电压和输出电压的拐角,因为峰值转换电流发生在VIN-MIN和VO-MAX,但是峰值转换电压发生在VIN-MAX、VIN-MAX和VO-MAX。一般来说,这意味着拥有一个这样的输出功率的Buck-boost调节器要比一个同样输出功率的Buck或Boost调节器更大且效率更低。

  单电感Buck-boost可以像Buck或Boost调节器一样组建,使它在系统成本的角度来讲很吸引人。这种的一个缺点是Vo被反置(图2a)或者以VIN为参照(图2b)。测平移动或者反偏电路必须要用一些转换器。像boost转换器,它们有一个不连续输出电流,并且需要一个输出电容来维持一个持续LED电流。功率MOSFET要承受一个峰值为IIN加上IF的电流还有一个峰值为VIN加上VO的电压。

  图2:(a) 高端buck-boost (b)低端buck-boost



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