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LED恒流驱动的不同控制模式

上网日期: 2007年10月24日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:白光LED? 恒流? PFM? PWM?

白光LED是便携式电子消费品目前最常采用的背光方案,驱动白光LED的主要目标是产生正向电流流过器件,这可采用恒压源或恒流源来实现。使用恒压源驱动几个并联白光LED需要使用限流电阻,主要起过流保护作用。这个方法的主要缺点是:各个白光LED上的实际电压降是不一样的,由于白光LED正向电压降不同而造成电流变化,因而发光的强度也不一样。比较理想的解决方案是采用恒流源驱动,它能避免白光LED正向电压改变而造成的电流变动,通过调节电阻值可以精确设定流过白光LED的电流(ILED=VFB/R)。即使用可控制的恒定正向电流,就能提供可控制的恒定显示亮度。下面就介绍几种采用不同技术控制LED驱动的控制模式。

市场上可以买到的微功率电源芯片有以下几种控制模式:

PFM、PWM、charge pump、FPWM、PFM/PWM以及pulse-skip PWM、digital PWM

其中常见的有PFM、PWM、charge pump以及PFM/PWM

1、 PFM是通过调节脉冲频率(即开关管的工作频率)的方法实现稳压输出的技术。它的脉冲宽度固定而内部震荡频率是变化的,所以滤波较PWM困难。但是PFM受限于输出功率,只能提供较小的电流。因而在输出功率要求低,静态功耗较低场合可采用PFM方式控制。

2、 PWM的原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下,控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节集成电路内部开关器件的导通脉冲宽度,使得输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM的开关频率一般为恒定值,所以比较容易滤波。但是PWM由于误差放大器的影响,回路增益及响应速度受到限制,尤其是回路增益低,很难用于LED恒流驱动,尽管目前很多产品都应用这种方案,但普遍存在恒流问题。在要求输出功率较大而输出噪声较低的场合可采用PWM方式控制。

3、 charge pump电荷泵解决方案是利用分立电容将电源从输入端送至输出端,整个过程不需要使用任何电感。charge pump主要缺点是只能提供有限的电压输出范围(输出一般不会超过2倍输入电压),原因是当多级charge pump级联时,其效率下降很明显。用charge pump驱动一个以上的白光LED时,必须采用并联驱动的方式,因而只适用于输入输出电压相差不大的应用。

4、 采用Digital PWM(数字脉宽调制)通过对独立数字控制环路和相位的数字化管理,实现对DC/DC负载点电源转换进行监测、控制与管理,以提供稳定的电源,减少传统供电模组的电压波幅造成系统的不稳定,而且Digital PWM并不需要采用传统较高量的液态电容用作储波及滤波作用。Digital PWM数字控制技术,能够使得MOSFET管运行在更高的频率下,有效的缓解了电容所受到的压力。digital PWM适用于大电流密度,其响应速度很快,但回路增益仍受到限制,目前成本相对较高。因此其在LED恒流驱动上的应用仍需进一步研究。

5、 FPWM(强制的脉宽调制)是一种恒流输出为基础的控制方式,它的工作原理是无论输出负载如何变化总是以一种固定频率工作,高侧FET在一个时钟周期打开,使电流流过电感,电感电流上升产生通过感抗的电压降,这个压降通过电流感应放大器放大,来自电流感应放大器的电压被加到PWM比较器输入端,和误差放大器的控制端作比较,一旦电流感应信号达到这个控制电压,PWM比较器就会重新启动关闭高侧FET开关的逻辑驱动电路,低侧的FET会在延迟一段时间后打开。在轻负载下工作时,为了维持固定频率,电感电流必须按照反方向流过低侧的FET。FPWM技术驱动芯片目前只见到MAXIM和National Semiconductor的芯片使用。

如上PFM、PWM是采用恒压驱动方式控制LED, 而FPWM和PFM/PWM是恒流驱动方式控制技术,实践证明较适合LED驱动。

本公司近期推出的IV0101/ IV0102升压转换器芯片。它的控制模式是在PFM基础上改进的PFM/PWM控制技术,是PFM与PWM有机结合的控制方式(不是PFM与PWM的切换),是以输入电压确定N开关管开启时间,输出电压与输入电压差确定同步管开启时间,而不像PWM采用误差放大器反馈输出的方式调节脉宽。在有一定负载情况下,开关频率取决于N管开启时间tN和P管开启时间tP。

其中tP ≧KP/(Vout-Vin) ;tN ≦KN/ Vin

在轻负载时,充电周期持续在最大值tN。当电感电流为零,同步整流管开启时,芯片工作在分立式模式(DCM)下。当负载增加时,由于大负载原因,输出很快降至设定点。如果负载电流增加,芯片工作在连续模式(CCM)下,即总有电流流过电感,只要电感电流峰值没有达到最大,那N管开启时间tN始终保持在设定点。当充电结束开始放电周期时,开关管电流将达到最大。但是,满负载仍未达到,因为在最小放电时间结束后,输出仍然可调。当放电时间到最小值tP时,将达到满负载。所以本控制模式就是通过不断地调整N管开启时间tN和P管开启时间tP来调整开关频率从而保证恒流输出的。在PWM控制方式下,为了避免寄生电感造成的系统震荡故障,一般都要接输入电容Cin,本芯片在电源接入端没有接输入电容,因而省却了PCB板电容位置,减小了板面积,并且避免了在PWM循环时,由电容产生的突波脉冲现象,防止了系统效能下滑,因为它是PFM与PWM有机结合的控制方式,因而它具有PFM较快的响应速度和很高的回路增益及PWM大电流输出特性,可与PWM调光相配合,成为理想的中小功率LED恒流驱动芯片。

作者:褚以人, 英诺华微电子创始人






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