補(bǔ)償及測(cè)量高功率 LED 驅(qū)動(dòng)器的控制回路

作者：Jeff Falin 德州儀器資深應(yīng)用工程師

數(shù)學(xué)模型一直都有助于判定特定設(shè)計(jì)的較佳補(bǔ)償組件，然而，補(bǔ)償 WLED 電流調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器的情況，則與補(bǔ)償被設(shè)定為調(diào)節(jié)電壓的相同轉(zhuǎn)換器略微不同。以傳統(tǒng)的方法測(cè)量控制回路相當(dāng)不便，因?yàn)榛仞?(FB) 引腳的阻抗不高，而且缺乏上端 FB 電阻。在參照 1 中，Ray Ridley 展示了簡(jiǎn)易小信號(hào)控制回路模型，適用于具備電流模式控制的升壓轉(zhuǎn)換器。下文說(shuō)明 Ridley 模型應(yīng)如何修改才能適用于 WLED 電流調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器，同時(shí)，也將說(shuō)明如何測(cè)量升壓轉(zhuǎn)換器的控制回路

回路組件

如圖 1 所示，為了從輸入電壓提供較高或較低的調(diào)節(jié)輸出電壓，任何可調(diào)式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都能夠加以修改。在這類(lèi)配置中，如果假設(shè) ROUT 純粹是電阻負(fù)載，則 VOUT = IOUT × ROUT。當(dāng)DC/DC 轉(zhuǎn)換器用來(lái)給 LED 供電時(shí)，它會(huì)借著調(diào)節(jié)下端 FB 電阻控制通過(guò) LED 的電流，如圖 2 所示。由于負(fù)載本身 (LED) 取代上端 FB 電阻的緣故，傳統(tǒng)的小信號(hào)控制回路公式不再適用。DC 負(fù)載阻抗為

而且

從二極管資料表或從測(cè)量得出的 VFWD 是 ILED 的正向電壓，而 n 是串聯(lián)的 LED 數(shù)量。

圖 1. 用于調(diào)節(jié)電壓的可調(diào)式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

圖 2. 用于調(diào)節(jié) LED 電流的可調(diào)式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

然而，從小信號(hào)的角度來(lái)看，負(fù)載阻抗包含 REQ 以及位于 ILED 的 LED 動(dòng)態(tài)阻抗 rD。雖然某些 LED 制造商提供不同電流量的rD標(biāo)準(zhǔn) 值，不過(guò)判定 rD 的較好方法是從所有制造商提供的 LED I-V 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)得出該值。圖 3 顯示 OSRAM LW W5SM 高功率 LED 的I-V 曲線(xiàn)范例。rD 值是動(dòng)態(tài) (或小信號(hào)) 數(shù)量，其定義為電壓變化除以電流變化，也就是 rD = ΔVFWD/ΔILED。若要從圖 3 得出 rD，只需要從 VFWD 與 ILED 的起始處畫(huà)出筆直的切線(xiàn)，然后計(jì)算斜率。舉例來(lái)說(shuō)，使用圖 3 中切出的虛線(xiàn)，即可得出 rD = (3.5 – 2.0 V)/(1.000 – 0.010 A) = 1.51 W，而且 ILED = 350 mA。

圖 3. OSRAM LW W5SM 的 I-V 曲線(xiàn)

小信號(hào)模型

對(duì)于小信號(hào)模型，此處將以TPS61165 峰值電流模型轉(zhuǎn)換器為例，它能驅(qū)動(dòng) 3 個(gè)串聯(lián)的 OSRAM LW W5SM 零件。圖 4a 顯示電流調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器的同等小信號(hào)模型，而圖 4b 顯示較為簡(jiǎn)化的模型。公式 3 顯示頻率型 (s 域) 模型，用來(lái)計(jì)算電流調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器與電壓調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器的 DC 增益：

其中的通用變量為

以及

圖 4. 電流調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器的小信號(hào)模型

表 1. 公式 3中兩種轉(zhuǎn)換器模型的差異

計(jì)算兩種電路的負(fù)載周期 D 以及 VOUT 與 REQ 的修改值所使用的方式都相同。Sn 及 Se 分別是升壓轉(zhuǎn)換器的自然形成電感斜率與補(bǔ)償斜率，而 fSW 是切換頻率。關(guān)于電壓調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器的小信號(hào)模型與電流調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器的模型，兩者之間真正的差異來(lái)自乘以跨導(dǎo)用項(xiàng) (1 – D)/Ri 的抗阻 KR 以及主要電極 wp。這些差異已在表 1 予以概述。詳細(xì)信息請(qǐng)見(jiàn)參照 1。由于在調(diào)節(jié)電壓的轉(zhuǎn)換器中， RSENSE 值一般遠(yuǎn)低于 ROUT 值，因此，電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的增益 (其中 ROUT = REQ) 幾乎都低于電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的增益。

測(cè)量回路

若要測(cè)量控制回路增益與電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的相位，網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ没芈吩鲆?相位分析儀一般會(huì)使用 1:1 變壓器將小信號(hào)通過(guò)小阻抗 (RINJ) 注入回路中。然后，分析儀便會(huì)根據(jù)頻率測(cè)量并比較 A 點(diǎn)的注入信號(hào)與 R 點(diǎn)的回傳信號(hào)，之后，報(bào)告幅度差異 (增益) 與時(shí)間延遲 (相位) 的比例。只要 A 點(diǎn)的阻抗遠(yuǎn)低于 R 點(diǎn)的阻抗，即可在回路中的任一處插入此阻抗，否則注入的信號(hào)會(huì)過(guò)大，因而干擾轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作點(diǎn)。如圖 5 所示，高阻抗節(jié)點(diǎn)是一般插入此阻抗的位置，也是 FB 電阻在輸出電容 (低阻抗節(jié)點(diǎn)) 偵測(cè)輸出電壓的地方。

圖 5. 電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的控制回路測(cè)量

在電流調(diào)節(jié)配置中，如果負(fù)載本身是上端 FB 電阻，則無(wú)法通過(guò)與 LED 串聯(lián)的方式將注入電阻插入。轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作點(diǎn)必須先予以變更，才能將電阻插入于FB 引腳與感應(yīng)電阻之間，如圖 6 所示。在某些情況下，可能需要非反向單位增益緩沖放大器，以降低注入點(diǎn)的阻抗，并減少測(cè)量噪聲。

圖 6. 電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的控制回路測(cè)量

用來(lái)測(cè)量回路的是Venable回路分析儀，它與圖 6 中的測(cè)量設(shè)定相同但不含放大器，而且 RINJ = 51.1 W。電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的模型是以 Mathcad? 構(gòu)建，并且使用 TPS61170 的數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)參數(shù)，其中的核心與 TPS61165 相同。當(dāng) VIN = 5 V 且 ILED 經(jīng)設(shè)定為 350 mA 時(shí)，該模型會(huì)產(chǎn)生 TPS61165EVM 的預(yù)期回路響應(yīng)，如圖 7 所示，可便于與測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖 7. 在 VIN = 5 V 且 ILED = 350 mA 的情況下所測(cè)得及模擬的回路增益與相位

觀察 WLED 動(dòng)態(tài)阻抗的變化，并參照 IC 放大器增益中標(biāo)準(zhǔn) LED I-V 曲線(xiàn)及芯片間變化，便不難解釋所測(cè)得及模擬增益兩者之間的差異。

結(jié)論

數(shù)學(xué)模型雖然并非全然準(zhǔn)確，但不失為設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì) WLED 電流調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)可以運(yùn)用的初步方法。設(shè)計(jì)人員也能夠以其中一種方法測(cè)量控制回路。

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