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　　遲滯型轉(zhuǎn)換器被廣泛用于驅(qū)動新興照明應(yīng)用中的LED。這種轉(zhuǎn)換器非常容易使用，其拓撲結(jié)構(gòu)也相當(dāng)穩(wěn)定，因此已經(jīng)成為高效感應(yīng)式開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案的首選。這種簡單拓撲可以用在許多不同配置中，有時甚至可以超越它們的一般使用范圍。不過仍有不少問題需要解決，而理解這種轉(zhuǎn)換器的局限性也有助于提高系統(tǒng)性能。

　　本文將通過不同電路配置實例詳細介紹這種轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)，并討論一些內(nèi)在的問題及這些問題對某些特殊應(yīng)用的影響。

　　拓撲結(jié)構(gòu)

　　遲滯型轉(zhuǎn)換器實際上采用的是一種開關(guān)(on-off)拓撲結(jié)構(gòu)。它可以用在降壓、升壓或降壓-升壓配置中，而它的超強穩(wěn)定性使它最適合用于降壓型LED驅(qū)動應(yīng)用，因為遲滯型轉(zhuǎn)換器可以在一個振蕩周期內(nèi)穩(wěn)定下來，而像PWM控制器通常需要數(shù)十個周期才能穩(wěn)定下來。遲滯型轉(zhuǎn)換器的特性體現(xiàn)在控制機制、精度、頻率、占空比和傳播時延等方面。

　　參考圖1，控制是基于預(yù)先確定滯后電壓的比較器而實現(xiàn)的。LED中的電流通常用電阻(Rsense)測量，其數(shù)值一般在比較器設(shè)定的上下門限值之間變化。門限值的設(shè)置要在測量精度/抗噪聲性能和效率之間取得平衡。典型的滯后電壓在50mV到250mV之間。

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　　圖1：遲滯型降壓轉(zhuǎn)換器。

　　振蕩頻率則取決于許多因素，其中電感選擇是最重要的。遲滯型轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵特點之一是：它們是自振蕩的。這意味著頻率將隨輸入電壓、LED電流和要驅(qū)動的LED數(shù)量的變化而變化。然而，這種轉(zhuǎn)換器經(jīng)常運行在連續(xù)模式，這意味著電感永遠不會飽和，也不會完全耗盡電流。這種固有的穩(wěn)定性意味著遲滯型轉(zhuǎn)換器可以工作在很寬的電壓范圍，不需要用外部元件進行補償。就像許多PWM拓撲一樣，這種轉(zhuǎn)換器對占空比范圍也沒有限制。

　　然而，占空比確實會影響精度。占空比主要受制于輸入電壓和輸出電壓的比值，而輸入輸出電壓比又取決于給定輸入電壓所驅(qū)動的LED數(shù)量。例如30V的高輸入電壓驅(qū)動單個3V LED的情況，此時的占空比是10%。而30V電壓驅(qū)動9個3V LED(27V正向電壓)時的占空比為90%。第二種情況會有較高的效率。這兩種特例都存在這樣的問題，即LED電流是從50%占空比的滯后(紋波)檢測電壓平均得到的，近似于三角關(guān)系。在這種極限占空比情況下，傳播時延和過沖等因素會導(dǎo)致電流與要求值產(chǎn)生偏差，如圖2所示。當(dāng)占空比小于20%或大于80%時，通常不太可能做到嚴格的電流控制。

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　　圖2：在使用遲滯型降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器調(diào)光LED時需要考慮的精度因素。

　　傳播時延和上升時間也會影響轉(zhuǎn)換器工作的最大頻率、精度和自散熱效果。隨著頻率的上升，轉(zhuǎn)換損耗將超過直流損耗而成為開關(guān)元件功率損耗的主要部分，對任何開關(guān)型拓撲來說這都是必然的。

　　采用PWM調(diào)光LED時的精度考慮

　　為了避免改變LED顏色，并提供寬亮度范圍的調(diào)光，PWM是用于LED調(diào)光的首選方法。然而，要想使用感應(yīng)式遲滯型轉(zhuǎn)換器，并在整個分辨率范圍內(nèi)保持較高的精度，有許多因素需要加以考慮。

　　簡化的白色LED驅(qū)動電路如圖1所示。在這種轉(zhuǎn)換器中，不需要使用輸出濾波電容，LED是與電感串聯(lián)在一起的。這種電路在啟動速度和成本方面具有優(yōu)勢。然而，由于缺少輸出電容，能量只能被儲存在電感中。在調(diào)光時，所有能量必須在切斷周期內(nèi)泄放掉，并在導(dǎo)通周期內(nèi)存儲起來。

　　圖3a代表LED中的電流。當(dāng)施加供電電壓時，內(nèi)部MOSFET開關(guān)導(dǎo)通，流經(jīng)檢測電阻、LED、電感和開關(guān)的電流從零向上限值I(SUB/)UP(/SUB)躍升。當(dāng)電流達到上限值時，電流又開始向下限I(SUB/)LO(/SUB)下降，到達下限值后再向I(SUB/)UP(/SUB)躍升。上下門限值取決于檢測電阻和內(nèi)部參考電壓。

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　　圖3a&3b：PWM調(diào)光。

　　圖3b所示的PWM波形是用于控制LED亮度的8位信號的最高位。對于理想的調(diào)光電路來說，將PWM信號驅(qū)動到高將導(dǎo)致電路立即起振，此時平均值等于I(SUB/)AVG(/SUB)，當(dāng)PWM信號驅(qū)動到低時電流立即降低到零。圖3a中的曲線表明，有兩大因素會導(dǎo)致輸出電流誤差，如圖中陰影區(qū)指示的那樣。在初始上升(藍色陰影)期間電流應(yīng)等于I(SUB/)AVG(/SUB)，因為這段時間的平均電流很低。同樣，在最后的下降期間電流應(yīng)等于0，但綠色陰影區(qū)表明事實不是這樣。如果LED電流的占空比等于50%，那么上升/下降擺率是相同的，這兩個誤差也不會存在，但實際占空比經(jīng)常不是50%。如果在PWM導(dǎo)通周期內(nèi)轉(zhuǎn)換器執(zhí)行許多次振蕩，那么這些誤差效應(yīng)將可以忽略。

　　在較高PWM占空比時，由于LED響應(yīng)和人眼的原因，一些小誤差可能覺察不出來，但在非常低的PWM占空比時，誤差就變得非常突出。圖4和圖5給出了低PWM占空比時，輸出電流精度隨PWM與轉(zhuǎn)換器振蕩頻率比值的變化。圖中的每根線代表了不同的轉(zhuǎn)換器振蕩頻率，PWM頻率是100Hz，x軸代表PWM占空比，y軸代表平均輸出電流在位分辨率方面的誤差。

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　　圖4：輸出電流誤差：8位分辨率，100Hz PWM。

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　　圖5：輸出電流誤差：12位分辨率，200Hz PWM。

　　就拿使用48V電壓供電并通過100μH電感驅(qū)動3.5W白色LED的ZXLD1362 LED驅(qū)動器為例。如果是200Hz的PWM調(diào)光到10位分辨率，那么輸出電流精度如表1所示。

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　　表1：PWM頻率和分辨率對輸出電流精度的影響。

　　當(dāng)PWM調(diào)光遲滯型轉(zhuǎn)換器時，PWM頻率與轉(zhuǎn)換器頻率之比決定了低輸出電流的精度。為了得到最高的精度，建議這個比值要遠大于調(diào)光步數(shù)，也就是說，一個PWM位的周期時長應(yīng)遠大于一個轉(zhuǎn)換器的周期時長。經(jīng)驗表明，對于n位的調(diào)光，LED遲滯開關(guān)頻率應(yīng)大于PWM頻率的2n倍，最好是大于2(n+2)倍。關(guān)鍵的折衷措施之一是避免低頻PWM調(diào)光和所需精度帶來的頻閃效應(yīng)，特別是在低亮度狀態(tài)或PWM頻率相對轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率增加時。

　　提高PWM調(diào)光精度的方法之一是在LED上使用旁路元件，例如圖6所示的PMOS管。通過這種方式，電感電流將一直流動，從而消除上升和下降誤差，提高精度，不過效率有所降低。

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　　圖6：使用旁路PMOS實現(xiàn)PWM調(diào)光。

　　通過調(diào)整輸入電壓進行直流調(diào)光

　　直流調(diào)光通常很少用于控制高亮度LED，這是由于LED色溫變化的原因。白色LED是從藍色LED激發(fā)的磷物質(zhì)產(chǎn)生顏色的，在這種情況下其顏色受LED電流的影響很小。對于建筑和氛圍照明來說顏色再現(xiàn)可能不太重要，即使顏色隨著亮度減少而稍微有些變化。在任何情況下，白色LED在調(diào)光時的顏色變化程度都遠小于同樣調(diào)光白熾燈時的顏色變化。

　　許多開關(guān)控制器沒有很好的調(diào)光范圍，通常從最大值的最大降幅為10:1。因為眼睛的響應(yīng)曲線呈對數(shù)方式，因此電流的10:1調(diào)光變化不會產(chǎn)生令人滿意的亮度降低效果，看起來只是達到最高亮度的一半。圖7所示電路給出的方法充分利用了遲滯拓撲的簡單性、內(nèi)在穩(wěn)定性和靈活性，可產(chǎn)生約50:1的直流調(diào)光范圍。

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　　圖7：用于高效直流輸入電壓調(diào)光控制的電路。

　　在某些建筑應(yīng)用中，通過降低輸入電壓進行調(diào)光極具優(yōu)勢。只需一個電阻串聯(lián)一個LED的簡單電路就能達到理想的效果，但如果用12V電壓驅(qū)動5W LED，那么在最大亮度時電阻上的功耗約為10W。圖7所示電路可以產(chǎn)生理想的效果，即隨著兩個輸入端上電壓的降低，電流將有效地降低，且同時仍能保持對電流的控制。

　　轉(zhuǎn)換器通過保持Vin和Isense端之間平均100mV的電壓來控制電流。在該位置正常只有一個電阻。電流調(diào)整程度可以通過過驅(qū)或欠驅(qū)ADJ引腳而改變。將ADJ引腳與P溝道MOSFET連接就能使該電路工作。這個MOSFET有很小的信號內(nèi)阻，將增加Vin和Isense端子之間的正常固定電阻。在低電壓時，MOSFET的RDS(導(dǎo)通)主導(dǎo)有效電阻。在較高電壓時，通過提高ADJ引腳電壓即可提升總的電流，從而最大化動態(tài)范圍。

　　不同MOSFET器件的RDS(導(dǎo)通)有約20%的差異。實際應(yīng)用中總的檢測電阻變化約為10%，這意味著用相同降幅的電壓驅(qū)動的不同燈之間存在差異。LED在亮度與電流特性方面也有變化。RDS(導(dǎo)通)變化的影響程度取決于它占總檢測電阻的比例。

　　在較低電流時工作頻率會上升，從而導(dǎo)致效率下降，但這個問題不嚴重，因為LED功率很低。這種方式可以實現(xiàn)平滑得多的調(diào)光控制，而且除了正常裝配在LED燈上的兩個標準引腳外沒有其它要求。

　　對檢測電阻的兩個值測量的結(jié)果如圖8所示，電路見圖7。

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　　圖8：圖7電路中LED電流與輸入電壓的關(guān)系。

　　共陽極連接

　　對于降壓LED控制器來說，最好使用高側(cè)電流檢測方式，此時LED位于電流檢測電阻和電感之后。遲滯轉(zhuǎn)換器的簡單特性提供了共陽極的LED驅(qū)動方案。

　　這種共陽極電路見圖9，它將LED的正極直接連到電源上。LED串仍與檢測電阻(Rsense)和電感串聯(lián)在一起，因此仍可確保遲滯型轉(zhuǎn)換器正常工作。共陽極的稱呼通常指的是單個LED(或并聯(lián)LED組)的配置，但這個概念可以擴展到串聯(lián)LED或共享同一V+電壓軌的多個LED鏈。

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　　圖9：共陽極拓撲。

　　這種配置主要在電路性能方面具有不少優(yōu)勢，而且在安裝便利性和系統(tǒng)中器件數(shù)量方面也有明顯優(yōu)勢。從性能角度看，這種電路與標準降壓拓撲相比在負載調(diào)整率方面有所改進。而且這種電路的開關(guān)頻率較低，從而減少了開關(guān)的功率損耗，提高了效率。對多LED鏈系統(tǒng)來說熱管理也更簡單了，因為所有正極都接在一個散熱器上，具有相同的電位，如圖10所示。最后，由于輸入端的電壓變化幅度變小了，共陽極配置還允許使用更小的輸入電容。

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　　圖10：使用共陽極拓撲的多通道LED控制。

　　共陽極拓撲結(jié)構(gòu)簡化了燈箱廣告和燈墻應(yīng)用的安裝，驅(qū)動器通常在遠端就與LED鏈分開來。在這種情況下，每個鏈的第一個正極被直接連至電源上，因此只需一根線就可以連接所有的LED鏈。不過，仍需使用另外一根線連接每個鏈的負極。

　　總之，共陽極拓撲不僅節(jié)省了走線，而且減少了器件數(shù)量。通常需要給LED串并聯(lián)一個電容以便減少LED上的紋波電壓，而在共陽極連接中沒必要這樣做，因為輸入電容已經(jīng)解決了這個問題。值得注意的是，到遲滯型轉(zhuǎn)換器的供電電流會流過LED，但對效率的影響可以忽略。

　　遲滯型轉(zhuǎn)換器采用共陽極連接的主要缺點是，LED輸出電壓必須低于遲滯轉(zhuǎn)換器的最小輸入電壓。與標準降壓型配置相比，這種配置減少了可被驅(qū)動的LED最大數(shù)量。

　　本文小結(jié)

　　遲滯型轉(zhuǎn)換器可用于較寬的電壓范圍，并能驅(qū)動更多的LED負載。所采用的拓撲結(jié)構(gòu)適用于PWM或直流調(diào)光，但必須考慮最大化電路性能限制。其固有的簡單性和穩(wěn)定性將給越來越多的LED照明應(yīng)用帶來莫大的好處。