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深度剖析:LED調(diào)光中FET電路設(shè)計及波形分析

發(fā)布時間:2015-07-01 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】為了達(dá)到每秒開關(guān)數(shù)百次或甚至數(shù)千次,以開關(guān)穩(wěn)壓器為基礎(chǔ)的LED驅(qū)動器,須經(jīng)過特別的設(shè)計考慮。本文專門為大家深度剖析LED調(diào)光中FET電路設(shè)計及波形分析,有興趣的同學(xué)可以來看看。
 
為了達(dá)到每秒開關(guān)數(shù)百次或甚至數(shù)千次,以開關(guān)穩(wěn)壓器為基礎(chǔ)的LED驅(qū)動器,須經(jīng)過特別的設(shè)計考慮。針對標(biāo)準(zhǔn)電源供應(yīng)而設(shè)計的穩(wěn)壓器一般都會設(shè)計一根“啟動”或關(guān)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(shè)計強(qiáng)調(diào)在響應(yīng)時間內(nèi)維持低停機(jī)電流。然而,專用來驅(qū)動LED的開關(guān)穩(wěn)壓器則恰好相反,它可在「啟動」接腳邏輯低時,保持內(nèi)部控制電路的活動,以將tD減至最低,而當(dāng)LED被關(guān)關(guān)時,則會面臨較大工作電流的困擾。在使用PWM來達(dá)成光控制優(yōu)化時,要把轉(zhuǎn)上(Slew-up)和轉(zhuǎn)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(biāo)所需的時間。(在此條件下,并不保證主波長或CCT與目標(biāo)值相同)在這里的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器將設(shè)有一個軟啟動,通常也搭配一個軟關(guān)閉,而專用的LED驅(qū)動器會在其控制之內(nèi)執(zhí)行所有工作以減少這些回轉(zhuǎn)率(Slew Rate)。要降低tSU和tSD,須要同時從硅芯片的設(shè)計和開關(guān)穩(wěn)壓器所采用的拓?fù)渲帧?/div>
 
具備較快速回轉(zhuǎn)率的降壓穩(wěn)壓器,比其他所有的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在兩個地方表現(xiàn)更為優(yōu)異,首先降壓穩(wěn)壓器是唯一可在控制開關(guān)啟動時,將功率輸送到輸出端的開關(guān)轉(zhuǎn)換器,此特點(diǎn)使得電壓模式或電流模式PWM(這里不要與PWM調(diào)光混淆)的降壓穩(wěn)壓器之控制回路,比起升壓穩(wěn)壓器或其他降壓/升壓拓?fù)涓鼮榭焖?。此外,在控制開關(guān)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(wěn)壓器的電感器在整個開關(guān)周期內(nèi)都是連接在輸出端,此可確保輸出電流的連續(xù)性,也意謂毋須使用輸出電容器。少了輸出電容器后,降壓穩(wěn)壓器便可成為真正的高阻抗電流源,能夠迅速轉(zhuǎn)換輸出電壓。邱克型(Cuk)和Zeta轉(zhuǎn)換器雖可提供連續(xù)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(wěn)壓器,都不足以應(yīng)付某些PWM調(diào)光系統(tǒng)的要求,這些應(yīng)用需要較高的PWM調(diào)光頻率、高對比度度,也就是要求更快速的回轉(zhuǎn)率和更短暫的延遲時間。與機(jī)械視覺辨識和工業(yè)檢驗系統(tǒng)搭配應(yīng)用時,舉例某些要求高性能的系統(tǒng),包括液晶(LCD)面板和投影機(jī)的背光照明系統(tǒng),在某些情況下,PWM調(diào)光頻率必須被調(diào)高到可聽頻帶以外的25kHz或更高的頻帶,隨著整體的調(diào)光周期已縮短至幾微秒內(nèi),包括傳導(dǎo)延遲在內(nèi),LED電流的上升和下降時間總和必須縮短至奈秒內(nèi)。
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(wěn)壓器著手,出現(xiàn)在輸出電流開啟和關(guān)閉的延遲,是來自集成電路本身的傳導(dǎo)延遲和輸出電感器的物理特性。若要達(dá)到真正高速的PWM調(diào)光,兩個延遲都須被略過(By Pass)。要實現(xiàn)這個目標(biāo),最佳方法就是采用一個與LED并聯(lián)的電源開關(guān)(圖3)。當(dāng)LED關(guān)閉時,驅(qū)動電流便會分流通過開關(guān),作用就如同一個典型的N 型金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管(N-MOSFET),這時集成電路會繼續(xù)運(yùn)行,而電感器電流也會持續(xù)流動。該方法的最大缺點(diǎn)在于LED關(guān)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(fèi)功率。
  
利用分路場效應(yīng)晶體管(FET)來進(jìn)行調(diào)光會導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)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(yīng),以嘗試維持輸出電流的穩(wěn)定。正如同邏輯接腳調(diào)光般,控制回路愈快表示響應(yīng)愈好,而采用磁滯控制的降壓穩(wěn)壓器則可提供最佳的回應(yīng)。
 
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