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網(wǎng)友討論:Buck型LED驅(qū)動電路設計

發(fā)布時間:2015-05-04 責任編輯:sherry

【導讀】在進行一款產(chǎn)品設計時,設計者們永遠在追求高性價比和效率最大化。在LED照明設計當中,想要實現(xiàn)上述兩點并不難,如果對輸出功率要求不高,那么BUCK電路將是最高性價比的首選。在相同的功率級別之下,使用BUCK電路產(chǎn)生的開關管應力是最低的,直流母線電壓就是實際承受的最大電壓。
 
由于這種特性的存在,電路僅需提供一般的耐壓,開關管就能夠完成通用范圍輸入,其次,Buck型電路的磁性器件也是結(jié)構(gòu)最為簡單的,通常情況下只要一個繞組。當然還有很多其他的優(yōu)點,本篇文章就不過多進行介紹。
 
本篇文章以BP2822和DU8623為例來討論Buck型LED驅(qū)動電路,希望能夠?qū)Υ蠹矣兴鶐椭?/div>
常見的Buck型結(jié)構(gòu)
圖1 常見的Buck型結(jié)構(gòu)
 
圖1是幾種常見的Buck型結(jié)構(gòu)。第一種是高邊驅(qū)動NMOS的方式。這種Buck型電路是在低壓DCDC中見得最多的。他的優(yōu)點是輸入輸出是共地的,并且公共端是系統(tǒng)電位最低點。在高壓Buck中,我們很少見到這種方式,原因在于高邊NMOS需要自舉升壓浮動驅(qū)動,高壓的驅(qū)動電路太占芯片的面積了。
 
第二種是高邊驅(qū)動PMOS,這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和第一種相同,也不需要自舉升壓驅(qū)動,但卻是比較少見,原因在于PMOS的多子為空穴,遷移率低,造成PMOS的性能較差,另外,這種驅(qū)動要以輸入為參考,同樣會比較復雜。
 
第三種是高壓Buck型LED驅(qū)動器中最為多見的,今天要說的兩個IC都是這種結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點很明顯:控制電路不需要承受高壓就能很好地完成對功率管的驅(qū)動,因此IC的成本可以做到很低。而在LED以外的應用中,我們幾乎不會這樣用,原因很簡單,這種結(jié)構(gòu)的公共端是電源輸入正端,不符合我們的習慣。
 
說完上面這些,就來看看這些電路是如何來恒流的。首先,要搞清楚恒流的概念,恒的是負載的平均電流,對于Buck拓撲,也就是電感的平均電流。對于任何一種拓撲,一個開關周期內(nèi)電感的電流都是先升到峰值,再降到谷值的,這個谷值可能大于0(連續(xù)模式),也可能等于0(斷續(xù)模式或者臨界模式)或者小于0(這種情況只會在同步整流的結(jié)構(gòu)中出現(xiàn))。如果是連續(xù)模式或者臨界模式,那么電感的平均電流就等于峰值電流加上谷值電流除以2,即:
 
Io_avg=IL_avg=(IL_peak+IL_valley)/2
圖2
 
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如果要恒流,只要將電感的峰值電流和谷值電流定死就行。如圖2,對于低邊Buck型結(jié)構(gòu),開關管開啟時,電流按照藍線方向流動,電感電流逐漸上升,如果檢測Rcs上的電壓達到一定值(即電感電流達到一定值)時開關管關斷,那么峰值電流就定下來了。假設這個閾值為Vthh,那么峰值電流大小為:
 
IL_peak=Vthh/Rcs
么峰值電流大小
圖3
 
接下來的開關周期內(nèi),電感通過二極管D續(xù)流,如圖3所示。這就出現(xiàn)了一個問題,此時的電流不再流經(jīng)開關管,控制電路無法知道電流下降到何種程度了。
圖4
PWM控制IC
圖5
 
怎么辦?先看一下圖5。用過臨界模式PWM控制IC的應該很快能夠看出來,這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)在電感電流下降到0附近時重新打開開關管,也就是說,可以強迫電路工作在臨界工作模式。使用一個輔助繞組,開關管關斷期間,電感電流下降,輔助繞組感應產(chǎn)生一個正電壓,當電感電流下降為零時,感應電壓消失,觸發(fā)開關管重新開啟。D1這個二極管是用來阻斷開關管開啟時輔助繞組上的反壓的,實際上我們可能看不到這個二極管,因為可以再IC內(nèi)部A2的反相輸入端反向并接一個二極管到地,效果一樣的。
[page]
這個電路使得電感電流波形非常接近上圖的臨界模式,也就實現(xiàn)了輸出的恒流:
 
Io_avg=IL_avg=(IL_peak+IL_valley)/2=IL_peak/2
 
這就是BP2822的工作模式。大家會問,為什么BP2822的應用中沒有這個輔助繞組?確實沒有,這個繞組肯定讓電感的加工變得復雜,成本會略微上升。那么它是如何檢測電感電流下降到零的呢。大家可以先想一下反激工作在斷續(xù)模式下,開關管漏極電壓在開啟前上一個周期內(nèi)的波形是什么樣的。沒錯,會出現(xiàn)振蕩。那Buck型的會不會也有這樣現(xiàn)象呢?會。
 
假設電流在t時刻過零,則t-時刻有:
 
Vds=Vcoss=Vin
 
在t+時,電感電流為零,C遠大于Coss,C視為短路,則Coss與L構(gòu)成串聯(lián)諧振回路,諧振頻率為:
初始振蕩幅度為Vin。用saber仿一下,確實如此。
 
有這個振蕩,那就好辦了,只要檢測這個振蕩一開始,我們就把開關管重新開啟,那么久非常接近臨界工作模式了。甚至,我們可以檢測到這種振蕩到達谷值時將開關管開啟,那么就是我們所說的準諧振(QR)了。但是仍然有問題。不涉及到IC的可能不知道,國內(nèi)絕大多數(shù)集成功率管的IC都是將控制部分的裸片和一個外置的功率管裸片封裝到一起的,也就是單片封裝,而不是單片集成。那么,功率管漏端和控制IC基本都是沒有連接關系的,那又如何取得這個振蕩信號呢?
 
這一點,還和驅(qū)動結(jié)構(gòu)相關。為了減小IC功耗,BP2822這類IC都是采用源極驅(qū)動的方式。也就是說,芯片實際驅(qū)動的是一個低壓的功率管,另外一個高壓功率管用來承受耐壓,下圖可以說明這一結(jié)構(gòu)。圖中也順帶給出了,使用一個二極管和電容,就可以得到這個振蕩信號。但是,這個二極管和電容是需要承受高壓的,放在IC內(nèi)部是不現(xiàn)實的,放在芯片外部,無疑增加了外圍的復雜度。
源極驅(qū)動的方式
圖6
源極驅(qū)動的方式
圖7
 
究竟是如何檢測的呢?再看下圖6和圖7就知道了。下管的源漏寄生電容導致下管的漏端(即高壓管的源端)對地也會產(chǎn)生同樣波形的振蕩,這個振蕩是低壓的,檢測起來就方便了。
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