法雷奧(深圳)全球電子研發(fā)中心 陳曉東

遲滯控制方法在D C/D C L E D降壓變換器中的應(yīng)用

法雷奧(深圳)全球電子研發(fā)中心 陳曉東

如今LED因?yàn)槠涓吖β逝c高亮度的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。LED在使用的過(guò)程之中需要有很定的電流，隨著市場(chǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)很難滿足低成本的要求，而遲滯控制方法卻能夠滿足要求。為此，在文中介紹了DC/DC控制方法，并就如何實(shí)現(xiàn)遲滯控制進(jìn)行了探討。

遲滯控制；DC/DC；LED

1 引言

目前在照明應(yīng)用中,高功率、高亮度LED的使用越來(lái)越受歡迎。DC/DC LED驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)恒定的電流源，為L(zhǎng)ED提供恒定的電流。傳統(tǒng)的控制方法主要有電壓控制和電流控制，通常LED驅(qū)動(dòng)器大多也使用這兩種控制方法。隨著市場(chǎng)對(duì)低成本的追求，轉(zhuǎn)換器將需要最少的外部元件和良好的電流控制，一個(gè)更優(yōu)的解決方案就是是遲滯控制方法。這種類型的控制方法可以寬范圍的輸入電壓條件下提供良好的輸出電流調(diào)節(jié)和以及快速的瞬態(tài)響應(yīng)，快速的瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)于LED的調(diào)光輸出應(yīng)用時(shí)尤為重要。

2 DC/DC控制方法概述

傳統(tǒng)的DCDC轉(zhuǎn)換器的控制方法主要有電壓模式控制和電流模式控制。電壓模式控制調(diào)節(jié)器的核心是脈沖寬度調(diào)制器比較器，該比較器的輸入是輸出反饋的控制電壓和時(shí)鐘鋸齒波，直接比較后產(chǎn)生PWM控制波形，僅包含來(lái)自輸出電壓的單反饋環(huán)路，對(duì)于輸入的瞬態(tài)響應(yīng)較慢。在典型的電流模式控制中，固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)讓MOSFET開(kāi)通; 誤差放大器將反饋信號(hào)和參考電壓之間的差異放大,然后和電感電流的進(jìn)行比較，當(dāng)電感電流超過(guò)誤差放大器電壓時(shí)，MOSFET截止,直到一個(gè)時(shí)鐘脈沖。對(duì)于電流控制模式,需要加入斜坡補(bǔ)償,以避免在高占空比下的次諧波振蕩，并提高噪聲性能[1]。

3 遲滯控制的實(shí)現(xiàn)方法和分析

遲滯控制方法又被稱為基于輸出紋波的控制，通常是指使用DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出紋波電壓作為脈沖寬度調(diào)制信息。它將輸出狀態(tài)的反饋電壓V_FB與參考Vref信號(hào)進(jìn)行比較，以確定其開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間[2]。

3.1 遲滯比較控制法

圖1 遲滯比較模式控制

遲滯比較模式控制的結(jié)構(gòu)如圖1所示。這個(gè)控制方法利用遲滯窗口比較器使輸出電壓控制在遲滯窗（V_H）內(nèi)。遲滯比較器的滯后窗口決定了開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)V_out上升到上限Vref+V_H時(shí)，MOSFET關(guān)閉，對(duì)應(yīng)toff階段，在toff期間，電感電流下降，V_FB下降直到Vref；當(dāng)V_FB下降到Vref，MOSFET開(kāi)通，對(duì)應(yīng)ton階段，在ton期間，電感電流上升，V_FB 上升直到VREF + VH，ton結(jié)束。開(kāi)關(guān)頻率和輸出紋波直接取決于上下參考閾值之間的差值V_H。該控制方法的控制量是I_min 和I_max, 輸出的平均電流I_out=(I_min+I_max)/2。

此類的控制方法最大的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率不固定，受輸入和輸出調(diào)節(jié)的變化而變化，抗干擾能力差。

3.2 固定關(guān)斷時(shí)間控制法

在正常工作時(shí)，反饋電壓V_FB上升到參考電壓Vref，ton時(shí)間結(jié)束；進(jìn)入到toff階段，關(guān)斷的時(shí)間由控制器決定，在一定的toff時(shí)間之后自動(dòng)觸發(fā)開(kāi)通信號(hào)。因此固定關(guān)斷時(shí)間控制量是I_max和toff時(shí)間，由于ΔI=V_out*toff/L， 那么對(duì)于特定的負(fù)載V_out以及選定的電感，電流紋波ΔI也是固定的，這樣輸入平均電流也就一定，I_out=I_max-ΔI/2。

恒定關(guān)閉時(shí)間控制，它不需要內(nèi)部時(shí)鐘;通過(guò)改變上MOSFET的關(guān)斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)占空比。當(dāng)輸出負(fù)載降低時(shí)，toff 時(shí)間延長(zhǎng)，占空比變小。通常這類的控制方法對(duì)應(yīng)變化的頻率[3]。

3.3 固定開(kāi)通時(shí)間控制法

固定開(kāi)通時(shí)間控制方法與固定關(guān)斷時(shí)間控制類似，它將電流的下降斜率與誤差放大器的輸出進(jìn)行比較。當(dāng)輸出電壓下降并且誤差放大器電壓上升到下降電流斜率以上，則觸發(fā)新的導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)進(jìn)入ton時(shí)間段時(shí)，電感電流上升，ton時(shí)間有控制器的定時(shí)器固定，ton時(shí)間結(jié)束后自動(dòng)關(guān)斷，進(jìn)入toff階段。在toff階段，電感電流下降，當(dāng)反饋的電壓下降到Vref時(shí)就觸發(fā)開(kāi)通信號(hào)，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入下一個(gè)ton。因此固定關(guān)斷時(shí)間控制量是I_max和ton時(shí)間，由于ΔI=(Vin-V_out)*ton/L， 那么對(duì)于特定的負(fù)載V_out和熟入電壓以及選定的電感，電流紋波ΔI也是固定的，這樣輸入平均電流也就一定，I_out=I_min+ΔI/2。

當(dāng)負(fù)載發(fā)生瞬變時(shí)，ton時(shí)間固定，變化的是toff時(shí)間，從而調(diào)節(jié)占空比和輸出。通常這類的控制方法可以通過(guò)帶反饋的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)固定的開(kāi)關(guān)頻率[3]。

4 總結(jié)

遲滯控制方法主要的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)快，不需要外部的補(bǔ)償。本文所述的三種控制方法的分類主要基于其控制量的不同，開(kāi)關(guān)頻率可以根據(jù)輸入輸出的條件的不同而變化，也可以實(shí)現(xiàn)固定的頻率。對(duì)于這三種遲滯控制方法，控制器需要引入最小開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間的限制，以及最大電流限制來(lái)保證轉(zhuǎn)換器工作在安全區(qū)間。

[1]Robert W.Erickson,Dragan Maksimovic:Fundamentals of Power Electronics, Second Edition,2001,ISBN 0-7923-7270-0,page657-659

[2]Sanjaya Maniktala,“Voltage mode, Current mode and Hysteretic control”Mi-crosemi,technical note TN-203,2012.

[3]Kiichiro TANIGUCHI,Terukazu SATO,Takashi NABESHIMA,and Kimihiro NISHIJIMA,“Constant Frequency Hysteretic PWM Controlled Buck Converter”EDS,2009.