LED 灯的控制方法浅析

通常来说全闭环控制，检测输出电流，来发出 PWM 信号，是真正的恒流电源驱动控制技术。实验表明，相对于其他非闭环的方案，这种独有的闭环恒流控制技术使输出电流精度有了质的飞跃，使整机电源在全电压、全负载、电感变化范围内的电流精度达到行业内目前最高的±0.9% 。相信在未来的科学技术更加发达的时候，LED 会以更加多种类的方式为我们的生活带来更大的方便，这就需要我们的科研人员更加努力学习知识，这样才能为科技的发展贡献自己的力量。
在科技高度发展的今天，电子产品的更新换代越来越快，LED 灯的技术也在不断发展，为我们的城市装饰得五颜六色。针对 LED 照明负载特点，目前非隔离式的恒流驱动电源的拓扑结构基本上是 BUCK 降压结构，传统的方案是通过固定关断时间来固定峰值电流，从而达到固定输出电流的控制策略。
本文将讨论这种控制策略实现恒流的原理，分析这种开环控制策略的优缺点，和应用这种控制策略需要做的外围补偿，同时基于占空比半导体公司新产品 DU2401 芯片，介绍这种全新的闭环电流控制策略，详细介绍这种控制策略如何突破性提高 LED 输出电流精度，从开环到闭环是其本质的突破。
1原理与设计
1.1 目前 LED 非隔离恒流驱动电流领域主流的控制策略
如图 1 所示，电路是 BUCK 降压结构，芯片控制的是 MOSFET 的源极，这是一种开环的恒流电流控制方式，控制原理如下：
芯片内部有两个比较器，其比较参考电平分别为 Vpk 和 Vvalley，与之比较的是 Rs 两端的电压。
Vin 上电时，电感 L 和电流采样电阻 Rs 的初始电流为零，LED 输出电流也为零。这时候，CS 比较器的输出为高，内部功率开关导通，SW 的电位为低。电流通过电感 L、电流采样电阻 Rs、LED 和内部功率开关从 Vin 流到地，电流上升的斜率由 Vin、电感 L 和 LED 压降决定，在 Rs 上产生一个压差 Vcs，当(Vin-Vcs)>Vpk 时，CS 比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过电感 L、电流采样电阻 Rs、LED 和肖特基二极管 D，当 Vin-Vcs
所以，这种开环的控制策略是，根据两个比较电平参考电位 Vpk 和 Vvalley，来设定电感电流的峰峰值，从而起到了设定输出平均电流值的效果。
这是一种简单有效的控制策略，但是由于这是一种开环控制模式，只能检测电感上的峰值电流，无法检测输出电流，外部条件发生变化时，两个比较器都会产生延时，输出电流精度在三种情况下容易出现偏差：
1、当输出电压发生变化时(如：不同的 LEDVf 和不同串数)
2、当主电感感量发生变化时(如：实际上量产的精度不高)
3、当输入电压发生变化时。
2.2DU2401 如何实现真正全闭环的恒流控制
所谓的闭环，即真正检测输出电流值，以此为标准来发出 PWM 信号。所谓开环，不以检测到的输出电流值来做发出 PWM 信号的参考。从电路拓扑上，二者没有区别。但是在芯片内部对检测到的如图 2CS 脚电感电流信号，做专利技术处理，如图 3TRUEC2 部分。这样，就检测到了电感电流的平均值，也就是输出电流的平均值。芯片针对检测到的值，控制输出占空比，实现了闭环控制。
另外，图 1Rs 电阻串联在 Vin 和 LED 负载之间，这意味着不论芯片内部开关管开通和关断，Rs 都将通过电流。图 2 的全闭环 LED 射灯驱动电源中，Rs 只在开关管开通的时候，有电流通过，这也是全闭环控制带来的好处。这样会带来一个非常显著的性能提高，因为 Rs 电阻的能耗减少，会提高整个系统的效率。DU2401 达到了业内最高的 98%的效率，正是基于这种全闭环控制策略。
3 实验验证
我们选择了一个典型 LED 射灯应用来做 IC 功能验证，基本电参数要求如下：
输入电压范围：12.5~30VDC 效率：>90%
输出电压范围：3~10.5VDC 输出电流：700mA
对于输入电压、负载 LED 变化情况下，我们测试得到如下交叉调整率结果：
图 5 可以看到，由于闭环控制，在设计的正常工作范围内，输出电流维持定值，单颗系统可以认为是恒定的输出电流，即线性、负载调整率理论值是 0 。量产时，由于参数一致性分布，大量数据表明，恒流精度小于±0.9% 。
对于输出电感变化，我们测试到如下结果：
图 6 反映的是电感大范围变化(设计标称值 68uH)时，输出电流的变化，如左图。如果这种测试用于目前市场上开环系统芯片，电流会出现线性的大范围波动，如右图。而 DU2401 闭环的方式，使得输出电流依然保持±0.9%以内的恒流精度。充分说明了闭环系统对于整个系统恒流精度提高的重要性。
基于图 4 的极简线路，如图 9、图 10 显示，此方案可以在非常小的尺寸下实现 3W 的输出功率。这样的小尺寸，对于空间狭小，要求很高的射灯，有实际的意义。高功率密度是 LED 灯具对 LED 驱动电源提出的要求，更优的控制方式是实现更高的功率密度的根本途径。
【LED 灯的控制方法浅析】 由图 11 可以看到基于 TRUECC 专利技术的高性能 LED 射灯方案成本只有 1.45 元，成本上优势很大。

LED 灯的控制方法浅析

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