采用Buck變換器的LED驅(qū)動(dòng)器反饋環(huán)路設(shè)計(jì)及測(cè)試

目前，基于降壓型Buck變換器的LED驅(qū)動(dòng)器廣泛應(yīng)用于通用的照明系統(tǒng)，如一些樓宇和草地的照明，通常使用交流適配器從110V/220V交流市電得到12V/24的直流電壓，然后12V/24輸出接一個(gè)Buck變換器，用于驅(qū)動(dòng)LED；在汽車(chē)系統(tǒng)中，也是用12V/24V的直流電池供電，所以汽車(chē)內(nèi)部和車(chē)燈采用LED作光源時(shí)，也是需要BUCK型LED驅(qū)動(dòng)器。Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器可以輸出大的電流，同時(shí)電源的效率比升壓驅(qū)動(dòng)器高，但是Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)的LED的數(shù)目取決于LED的正向壓降和輸入的電壓。

Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器和通用BUCK降壓型變換器的設(shè)計(jì)相同，但對(duì)于反饋環(huán)路的增益裕量和相位裕量的測(cè)試，卻和通常的Buck降壓型變換器有很大的不同，這是由于LED驅(qū)動(dòng)器的特性決定的，本文將會(huì)討論這個(gè)有趣的問(wèn)題。

議題內(nèi)容：

• 基于Buck變換器的LED驅(qū)動(dòng)器與常規(guī)的Buck變換器的設(shè)計(jì)差異
• AOZ0181反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)過(guò)程
• 不能直接測(cè)量Buck型LED驅(qū)動(dòng)器增益裕量和相位裕量的原因

解決方案：

• 采樣低驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)降低LED功耗，提高效率
• 輸出電壓由串聯(lián)的LED的正向壓降確定
• 在FB管腳加電壓跟隨器

1. Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)

Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器和通用Buck降壓型變換器最大的不同在于參考電壓的差異。通用Buck降壓型變換器的參考電壓通常是0.8V，1.25V等，用于設(shè)定輸出的電壓，輸出電流變化時(shí)，輸出電壓保持恒定，輸出的負(fù)載和輸出電容并聯(lián)，如圖1 所示。Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器的參考電壓通常是0.25V，0.2V，0.1V，用于設(shè)定LED的驅(qū)動(dòng)電流，并保持LED的電流恒定。由于設(shè)定LED的驅(qū)動(dòng)電流的取樣電阻和LED串聯(lián)，因此參考電壓越低，取樣電阻的功耗就越小。如果參考電壓過(guò)低，由于電流信號(hào)的取樣信號(hào)太小，容易受外干擾，影響取樣的精度；此外，同樣的電流所要求的取樣電阻值太小，也不容易選購(gòu)。

在Buck降壓型LED驅(qū)動(dòng)器中，LED電流設(shè)定電阻有低端和高端電流取樣兩種方式，如圖1 所示。低端電流取樣直接對(duì)地檢測(cè)電流，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但容易受到共模的干擾，取樣精度差。高端電流取樣不容易受到共模的干擾，取樣精度高，但需要差動(dòng)放大器。

2. AOZ1081工作特點(diǎn)

本文將基于AOZ1081來(lái)介紹反饋環(huán)的設(shè)計(jì)，因此先介紹一下AOZ1081的工作特點(diǎn)。AOZ1081是一款降壓型Buck變換器，工作于電流模式，其特點(diǎn)可以讓它配置成LED驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)也可以作為通用Buck變換器使用。其特點(diǎn)如下：

（1）內(nèi)置了低端的續(xù)流二極管，因此無(wú)需外加肖特基二極管；
（2）具有內(nèi)部的軟起動(dòng)，因此無(wú)需外加軟起動(dòng)電容；
（3）0.25V的參考電壓，保證電流取樣精度同時(shí)降低電流設(shè)定電阻的功耗；
（4）輸入工作電壓為4.5V到16V，具有Power On Reset POR功能，輸入電壓到4V時(shí)開(kāi)始工作，輸入電壓低于3.7V，關(guān)斷；
（5）具有連續(xù)的1.8A最大的輸出電流；
（6）占空比從12%到100%，輸入輸出壓差低時(shí)可以工作于LDO方式；
（7）1MHz的工作頻率，可以使用小體積的電感和電容；

（9）具有過(guò)流保護(hù)OCP和輸出過(guò)壓保護(hù)OVP；
（10）芯片具有過(guò)溫保護(hù)OTP功能。
3. 反饋設(shè)計(jì)

BUCK降壓型LED驅(qū)動(dòng)器仍然工作于峰值電流模式，其外環(huán)是取樣LED的電流，反饋環(huán)路維持LED電流恒定，這樣，輸出的電壓就由串聯(lián)的LED的正向壓降來(lái)決定。

和通用的峰值電流模式一樣，LED驅(qū)動(dòng)器功率級(jí)由一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)組成：

其中：CO為輸出電容，ESR為輸出電容等效串聯(lián)電阻，RL為等效負(fù)載電阻。

如果采用RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)RC和CC連接在AOZ1081的COMP管腳和地之間，相當(dāng)于增加一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)的補(bǔ)償：

其中：GEA是誤差放大器的跨導(dǎo)，對(duì)于AOZ1081，為200?10-6A/V， GVEA為誤差放大器的增益，500V/V。

系統(tǒng)的穿越頻率fC決定系統(tǒng)的帶寬，帶寬越大，系統(tǒng)的響應(yīng)越快，但容易受到高頻的干擾。通用帶寬設(shè)為開(kāi)關(guān)頻率的1/10，對(duì)于AOZ1081，開(kāi)關(guān)頻率為1M左右，因此穿越頻率可選取小于75K。所以，反饋網(wǎng)絡(luò)可以用下式計(jì)算：

其中：VFB是參考電壓，對(duì)于AOZ1081，為0.25V ，GCS為電流檢測(cè)電路的跨導(dǎo)，對(duì)于AOZ1081，為5.64A/V。

RC和CC形成的零點(diǎn)通常放大主極點(diǎn)fP1附近，但要低于1/5的穿越頻率，所以：

4. BUCK降壓型LED驅(qū)動(dòng)器反饋測(cè)量

對(duì)于通用BUCK降壓型變換器，可以直接在反饋分壓電阻器上部電阻中，直接串接一個(gè)100歐姆的電阻R，由R注入測(cè)試信號(hào)，測(cè)量增益裕量和相位裕量，用于決定的系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，如圖2所示。注意到，相對(duì)于輸出的負(fù)載電阻，此回路相當(dāng)于一個(gè)高阻抗回路，因此不影響系統(tǒng)的正常工作。

但是對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電路，不能直接將100歐姆的信號(hào)注入電阻串聯(lián)在LED的回路中，因此，LED回路是恒流工作，串入電阻后，就改變了的輸出的電壓和輸出功率，系統(tǒng)不是正常的工作狀態(tài)。

這樣，就必須引入一種隔離的電路，使注入的信號(hào)不影響電源系統(tǒng)的正常工作。通常，電壓跟隨器具有阻抗變化，也就是其輸入相當(dāng)于開(kāi)路，輸出相當(dāng)于短路，同時(shí)，時(shí)還具有緩沖的作用，也就是在信號(hào)源和負(fù)載之間緩沖，將輸入信號(hào)無(wú)損耗的輸出。因此，可以使用圖3的電路測(cè)量LED驅(qū)動(dòng)器的環(huán)路穩(wěn)定性。