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利用LED降压稳压器如何简化补偿操作?

发布时间:2015-05-07 责任编辑:echolady

【导读】调节LED中的电流都是利用同步降压转换器。在汽车、工业、医疗、个人设备中多有应用。控制器调节输出时用的控制机制,分为电压模式、峰值电流模式、恒定接通模式。大多数都是峰值电流模式控制器,但是如何补偿控制回路,在调节电流时确保稳定性呢?

在峰值电流模式控制中,控制信号(或者COMP信号)通过一个内部控制回路来控制电感器中的峰值电流,从而简化输出电压反馈回路。但是,如果为了保持恒定亮度调节LED中的电流,而不是输出电压,情况会怎么样呢?众所周知,实际上在补偿电源实现稳定性时,电流模式控制 (CMC) 能够消除电感器本身的频率响应效应。而将输出电流用作反馈信号甚至会使“关闭回路”更加简单。

图1显示的是一个通过高侧感测电阻器R3直接驱动LED中电流的降压转换器,TPS54218,同步降压控制器。这个电流感测电压被电流感测监视器,INA193,放大20倍,这样可显著地降低R3中的功率耗散并提升效率。分流监视器的电流反馈信号输出给电阻分压器 (R6/R8),这形成了到VSENSE的完整反馈路径。

利用LED降压稳压器如何简化补偿操作?
图1 配置为调节LED中恒定电流的同步降压转换器。

运算放大器 (op amp) 可使用控制信号 (VCNTL) 调整LED电流。就其本身而言,控制器持续调节占空比和输出电流,以便在VSENSE引脚上保持0.8V的电压。如果运算放大器输出电压上升,它也会升高VSENSE上的电压,所以控制器向下调节LED电流,以防止VSENSE上升。

图2是仿真控制回路的图1的简单SPICE模型。VC1是COMP引脚上的电压,直接驱动跨导增益为13的功率级(控制器更多的内部细节请参见TPS54218数据表内的图31)。这个电流通过电感器和感测电阻器来直接驱动LED。需要注意的是,电感值和LED值的变化不会对响应产生影响,这是因为电感器中的电流受到了控制。

利用LED降压稳压器如何简化补偿操作?
图2 经简化的控制回路AC模型,以测量增益和相位裕量。

分流监视器传递函数只是一个值为20的电压到电压增益,有一个接近500kHz的高频极点(和缓冲器)。这个输出提供给R6/R8分压器,由于输出是直流电压,所以分压器在运算放大器U3输出上接地。完成此反馈回路的最后一个部分是降压转换器的内部跨导放大器,它具有一个225uA/V的电压对电流增益。

外部补偿组件C6从这个点 (V_COMP) 上接地。需要注意的是,V_COMP也是我们回路仿真的起始点 (VC1)。回路增益是V_COMP引脚上测得的电压除以VC1上的注入扰动。所以,通过将VC1设定为1 Vac信号,回路增益最终就是V_COMP上测得的电压。

图3显示了VSENSE和V_COMP节点上测得的响应。V_COMP代表回路增益和相位裕量,而VSENSE是功率级,这就是除补偿运算放大器之外的整个回路。在这里最值得注意的一点是,VSENSE,最远到COMP电容器C6之前的响应,都是平坦的。由于采用电流模式控制,功率级的响应是平坦的,并且只有分流监视器响应在较高频率时开始轻微降低相位。

利用LED降压稳压器如何简化补偿操作?
图3 仿真结果显示出非常平稳的响应,此时整个回路主要由C6设定。

转换器回路增益和带宽的调节由C6单独设定。较小的C6值会由于其较高的阻抗而增加增益,而较大的值会减小增益。应该将增益值设置得足够低,以确保较好的稳定性,要避免将增益值推得过高。还有一些未包含在此模型中的其它二阶效应,诸如斜坡补偿,会在较高频率时影响到增益和相位。

另外,这个模型提供了一个出色的一阶逼近法,并且深入观察了电流模式同步降压LED稳压器的回路增益。

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