基于Buck变换器的LED驱动器反馈环路设计及测试———基于Buck变

目前，基于降压型Buck变换器的LED驱动器广泛应用于通用的照明系统，如一些楼宇和草地的照明，通常使用交流适配器从110V/220V交流市电得到12V/24的直流电压，然后12V/24输出接一个Buck变换器，用于驱动LED；在汽车系统中，也是用12V/24V的直流电池供电，所以汽车内部和车灯采用LED作光源时，也是需要BUCK型LED驱动器。Buck降压型LED驱动器可以输出大的电流，同时电源的效率比升压驱动器高，但是Buck降压型LED驱动器所驱动的LED的数目取决于LED的正向压降和输入的电压。
         Buck降压型LED驱动器和通用BUCK降压型变换器的设计相同，但对于反馈环路的增益裕量和相位裕量的测试，却和通常的Buck降压型变换器有很大的不同，这是由于LED驱动器的特性决定的，本文将会讨论这个有趣的问题。
  1. Buck降压型LED驱动器特点
         Buck降压型LED驱动器和通用Buck降压型变换器最大的不同在于参考电压的差异。通用Buck降压型变换器的参考电压通常是0.8V，1.25V等，用于设定输出的电压，输出电流变化时，输出电压保持恒定，输出的负载和输出电容并联，如图1 所示。Buck降压型LED驱动器的参考电压通常是0.25V，0.2V，0.1V，用于设定LED的驱动电流，并保持LED的电流恒定。由于设定LED的驱动电流的取样电阻和LED串联，因此参考电压越低，取样电阻的功耗就越小。如果参考电压过低，由于电流信号的取样信号太小，容易受外干扰，影响取样的精度；此外，同样的电流所要求的取样电阻值太小，也不容易选购。
  在Buck降压型LED驱动器中，LED电流设定电阻有低端和高端电流取样两种方式，如图1 所示。低端电流取样直接对地检测电流，设计简单，但容易受到共模的干扰，取样精度差。高端电流取样不容易受到共模的干扰，取样精度高，但需要差动放大器。
  2. AOZ1081工作特点
         本文将基于AOZ1081来介绍反馈环的设计，因此先介绍一下AOZ1081的工作特点。AOZ1081是一款降压型Buck变换器，工作于电流模式，其特点可以让它配置成LED驱动器，同时也可以作为通用Buck变换器使用。其特点如下：
  （1）内置了低端的续流二极管，因此无需外加肖特基二极管；
  （2）具有内部的软起动，因此无需外加软起动电容；
  （3）0.25V的参考电压，保证电流取样精度同时降低电流设定电阻的功耗；
  （4）输入工作电压为4.5V到16V，具有Power On Reset POR功能，输入电压到4V时开始工作，输入电压低于3.7V，关断；
  （5）具有连续的1.8A最大的输出电流；
  （6）占空比从12%到100%，输入输出压差低时可以工作于LDO方式；
  （7）1MHz的工作频率，可以使用小体积的电感和电容；
  （8）在EN管脚可以加到最高到200Hz的PWM波形进行数字调光；
  （9）具有过流保护OCP和输出过压保护OVP；
  （10）芯片具有过温保护OTP功能。
  3. 反馈设计
         BUCK降压型LED驱动器仍然工作于峰值电流模式，其外环是取样LED的电流，反馈环路维持LED电流恒定，这样，输出的电压就由串联的LED的正向压降来决定。
  和通用的峰值电流模式一样，LED驱动器功率级由一个零点和一个极点组成：
  
  其中：CO为输出电容，ESR为输出电容等效串联电阻，RL为等效负载电阻。
  如果采用RC串联网络RC和CC连接在AOZ1081的COMP管脚和地之间，相当于增加一个零点和一个极点的补偿：
  
  其中：GEA是误差放大器的跨导，对于AOZ1081，为200·10-6A/V， GVEA为误差放大器的增益，500V/V。
  系统的穿越频率fC决定系统的带宽，带宽越大，系统的响应越快，但容易受到高频的干扰。通用带宽设为开关频率的1/10，对于AOZ1081，开关频率为1M左右，因此穿越频率可选取小于75K。所以，反馈网络可以用下式计算：
  
  其中：VFB是参考电压，对于AOZ1081，为0.25V ，GCS为电流检测电路的跨导，对于AOZ1081，为5.64A/V。
  RC和CC形成的零点通常放大主极点fP1附近，但要低于1/5的穿越频率，所以：
  
  4. BUCK降压型LED驱动器反馈测量
         对于通用BUCK降压型变换器，可以直接在反馈分压电阻器上部电阻中，直接串接一个100欧姆的电阻R，由R注入测试信号，测量增益裕量和相位裕量，用于决定的系统的稳定程度，如图2所示。注意到，相对于输出的负载电阻，此回路相当于一个高阻抗回路，因此不影响系统的正常工作。
  
  但是对于LED驱动电路，不能直接将100欧姆的信号注入电阻串联在LED的回路中，因此，LED回路是恒流工作，串入电阻后，就改变了的输出的电压和输出功率，系统不是正常的工作状态。
  这样，就必须引入一种隔离的电路，使注入的信号不影响电源系统的正常工作。通常，电压跟随器具有阻抗变化，也就是其输入相当于开路，输出相当于短路，同时，时还具有缓冲的作用，也就是在信号源和负载之间缓冲，将输入信号无损耗的输出。因此，可以使用图3的电路测量LED驱动器的环路稳定性。
  
  基于AOZ1081设计LED驱动器，输入电压4.5 V到16 V，输出为一个HB LED，;使用Venable的3120测量环路，Rc=61.9kohm，Cc=820pF，测量波形和结果如图4和表1所示。
  
  
  
  
可以用图5的负载跳变来验证系统的稳定性，MOS驱动信号的频率为1kHz，负载电流从35mA到350mA跳变，波形如图6所示
  
  
  
  5. 结论
  1）基于BUCK降压型变换器LED驱动器需要低的参考电压，降低LED电流设定电阻所产生的功耗，从而提高效率。
  2）基于BUCK降压型变换器LED驱动器仍然是峰值电流模式，外环采样的采样信号是LED的电流，输出电压由串联的LED的正向压降确定。
  3）在FB管脚加电压跟随器，可以隔离电流取样电阻和用于测量相位裕量的信号注入电阻，保持正确的测量。