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深度剖析:LED調光中FET電路設計及波形分析

發布時間:2015-07-01 責任編輯:sherry

【導讀】為了達到每秒開關數百次或甚至數千次,以開關穩壓器為基礎的LED驅動器,須經過特別的設計考慮。本文專門為大家深度剖析LED調光中FET電路設計及波形分析,有興趣的同學可以來看看。
 
為了達到每秒開關數百次或甚至數千次,以開關穩壓器為基礎的LED驅動器,須經過特別的設計考慮。針對標準電源供應而設計的穩壓器一般都會設計一根“啟動”或關閉接腳,以便供邏輯PWM信號使用,但連帶的延遲tD則頗長,這是由于硅芯片的設計強調在響應時間內維持低停機電流。然而,專用來驅動LED的開關穩壓器則恰好相反,它可在「啟動」接腳邏輯低時,保持內部控制電路的活動,以將tD減至最低,而當LED被關關時,則會面臨較大工作電流的困擾。在使用PWM來達成光控制優化時,要把轉上(Slew-up)和轉下(Slew-down)延遲維持在最低,這不單為了獲得最佳的對比度,而且還可減少LED花在由0到目標所需的時間。(在此條件下,并不保證主波長或CCT與目標值相同)在這里的標準開關穩壓器將設有一個軟啟動,通常也搭配一個軟關閉,而專用的LED驅動器會在其控制之內執行所有工作以減少這些回轉率(Slew Rate)。要降低tSU和tSD,須要同時從硅芯片的設計和開關穩壓器所采用的拓撲著手。
 
具備較快速回轉率的降壓穩壓器,比其他所有的開關拓撲結構在兩個地方表現更為優異,首先降壓穩壓器是唯一可在控制開關啟動時,將功率輸送到輸出端的開關轉換器,此特點使得電壓模式或電流模式PWM(這里不要與PWM調光混淆)的降壓穩壓器之控制回路,比起升壓穩壓器或其他降壓/升壓拓撲更為快速。此外,在控制開關啟動期間的功率傳輸能夠輕易改為磁滯控制,使其速度甚至比最佳的電壓模式或電流模式控制的回路更快。其次,降壓穩壓器的電感器在整個開關周期內都是連接在輸出端,此可確保輸出電流的連續性,也意謂毋須使用輸出電容器。少了輸出電容器后,降壓穩壓器便可成為真正的高阻抗電流源,能夠迅速轉換輸出電壓。邱克型(Cuk)和Zeta轉換器雖可提供連續性輸出電感器,但由于它們的控制回路較慢,效率也較低,因此并非最佳選擇。
  
PWM比“啟動”接腳更快
  
即使是一個沒有輸出電容器的純磁滯降壓穩壓器,都不足以應付某些PWM調光系統的要求,這些應用需要較高的PWM調光頻率、高對比度度,也就是要求更快速的回轉率和更短暫的延遲時間。與機械視覺辨識和工業檢驗系統搭配應用時,舉例某些要求高性能的系統,包括液晶(LCD)面板和投影機的背光照明系統,在某些情況下,PWM調光頻率必須被調高到可聽頻帶以外的25kHz或更高的頻帶,隨著整體的調光周期已縮短至幾微秒內,包括傳導延遲在內,LED電流的上升和下降時間總和必須縮短至奈秒內。
分路FET電路和其波形
圖分路FET電路和其波形
  
從一個沒有輸出電容器的快速降壓穩壓器著手,出現在輸出電流開啟和關閉的延遲,是來自集成電路本身的傳導延遲和輸出電感器的物理特性。若要達到真正高速的PWM調光,兩個延遲都須被略過(By Pass)。要實現這個目標,最佳方法就是采用一個與LED并聯的電源開關(圖3)。當LED關閉時,驅動電流便會分流通過開關,作用就如同一個典型的N 型金屬氧化半導體場效晶體管(N-MOSFET),這時集成電路會繼續運行,而電感器電流也會持續流動。該方法的最大缺點在于LED關閉時,即使期間的輸出電壓下降到與電流感測電壓相同,仍會浪費功率。
  
利用分路場效應晶體管(FET)來進行調光會導致輸出電壓出現較為急劇的移位,這使得集成電路的控制回路必須作出響應,以嘗試維持輸出電流的穩定。正如同邏輯接腳調光般,控制回路愈快表示響應愈好,而采用磁滯控制的降壓穩壓器則可提供最佳的回應。
 
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