開環(huán)控制和閉環(huán)電流控制LED射燈方案的優(yōu)缺點分析

1 引言

針對LED照明負載特點，目前非隔離式的恒流驅(qū)動電源的拓撲結(jié)構(gòu)基本上是BUCK降壓結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的方案是通過固定關(guān)斷時間來固定峰值電流，從而達到固定輸出電流的控制策略。本文將討論這種控制策略實現(xiàn)恒流的原理，分析這種開環(huán)控制策略的優(yōu)缺點，和應用這種控制策略需要做的外圍補償，同時基于占空比半導體公司新產(chǎn)品DU2401芯片，介紹這種全新的閉環(huán)電流控制策略，詳細介紹這種控制策略如何突破性提高LED輸出電流精度，從開環(huán)到閉環(huán)是其本質(zhì)的突破。

2 原理與設計

2.1 目前LED非隔離恒流驅(qū)動電流領(lǐng)域主流的控制策略

如圖1所示，電路是BUCK降壓結(jié)構(gòu)，芯片控制的是MOSFET的源極，這是一種開環(huán)的恒流電流控制方式，控制原理如下：

芯片內(nèi)部有兩個比較器，其比較參考電平分別為Vpk和Vvalley，與之比較的是Rs兩端的電壓。

Vin上電時，電感L和電流采樣電阻Rs的初始電流為零，LED輸出電流也為零。這時候，CS比較器的輸出為高，內(nèi)部功率開關(guān)導通，SW的電位為低。電流通過電感L、電流采樣電阻Rs、LED和內(nèi)部功率開關(guān)從Vin流到地，電流上升的斜率由Vin、電感L和LED壓降決定，在Rs上產(chǎn)生一個壓差Vcs， 當(Vin-Vcs) >Vpk時，CS比較器的輸出變低，內(nèi)部功率開關(guān)關(guān)斷，電流以另一個斜率流過電感L、電流采樣電阻Rs、LED和肖特基二極管D，當Vin-Vcs < Vvalley時，功率開關(guān)重新打開，這樣使得在LED上的平均電流為：Io=1/(2*Rs)*(Vpk+Vvalley)

所以，這種開環(huán)的控制策略是，根據(jù)兩個比較電平參考電位Vpk和Vvalley，來設定電感電流的峰峰值，從而起到了設定輸出平均電流值的效果。

這是一種簡單有效的控制策略，但是由于這是一種開環(huán)控制模式，只能檢測電感上的峰值電流，無法檢測輸出電流，外部條件發(fā)生變化時，兩個比較器都會產(chǎn)生延時，輸出電流精度在三種情況下容易出現(xiàn)偏差：

1、當輸出電壓發(fā)生變化時（如：不同的LED Vf和不同串數(shù)）

2、當主電感感量發(fā)生變化時（如：實際上量產(chǎn)的精度不高）

3、當輸入電壓發(fā)生變化時。

2.2 DU2401 如何實現(xiàn)真正全閉環(huán)的恒流控制

所謂的閉環(huán)，即真正檢測輸出電流值，以此為標準來發(fā)出PWM信號。所謂開環(huán)，不以檢測到的輸出電流值來做發(fā)出PWM信號的參考。從電路拓撲上，二者沒有區(qū)別。但是在芯片內(nèi)部對檢測到的如圖2 CS腳電感電流信號，做專利技術(shù)處理，如圖3 TRUEC2部分。這樣，就檢測到了電感電流的平均值，也就是輸出電流的平均值。芯片針對檢測到的值，控制輸出占空比，實現(xiàn)了閉環(huán)控制。

另外，圖1 Rs電阻串聯(lián)在Vin和LED負載之間，這意味著不論芯片內(nèi)部開關(guān)管開通和關(guān)斷，Rs都將通過電流。圖2的全閉環(huán)LED射燈驅(qū)動電源中，Rs只在開關(guān)管開通的時候，有電流通過，這也是全閉環(huán)控制帶來的好處。這樣會帶來一個非常顯著的性能提高，因為Rs電阻的能耗減少，會提高整個系統(tǒng)的效率。DU2401達到了業(yè)內(nèi)最高的98%的效率，正是基于這種全閉環(huán)控制策略。

3 實驗驗證

我們選擇了一個典型LED射燈應用來做IC功能驗證，基本電參數(shù)要求如下：

輸入電壓范圍：12.5~30VDC 效率：>90%

輸出電壓范圍：3~10.5VDC 輸出電流：700mA

對于輸入電壓、負載LED變化情況下，我們測試得到如下交叉調(diào)整率結(jié)果：

圖5可以看到，由于閉環(huán)控制，在設計的正常工作范圍內(nèi)，輸出電流維持定值，單顆系統(tǒng)可以認為是恒定的輸出電流，即線性、負載調(diào)整率理論值是0。量產(chǎn)時，由于參數(shù)一致性分布，大量數(shù)據(jù)表明，恒流精度小于±0.9%.

對于輸出電感變化，我們測試到如下結(jié)果：

圖6反映的是電感大范圍變化(設計標稱值68uH)時，輸出電流的變化，如左圖。如果這種測試用于目前市場上開環(huán)系統(tǒng)芯片，電流會出現(xiàn)線性的大范圍波動，如右圖。而DU2401 閉環(huán)的方式，使得輸出電流依然保持±0.9%以內(nèi)的恒流精度。充分說明了閉環(huán)系統(tǒng)對于整個系統(tǒng)恒流精度提高的重要性。

基于圖4的極簡線路，如圖9、圖10顯示，此方案可以在非常小的尺寸下實現(xiàn)3W的輸出功率。這樣的小尺寸，對于空間狹小，要求很高的射燈，有實際的意義。高功率密度是LED 燈具對 LED 驅(qū)動電源提出的要求，更優(yōu)的控制方式是實現(xiàn)更高的功率密度的根本途徑。

由圖11可以看到基于TRUECC專利技術(shù)的高性能LED射燈方案成本只有1.45元，成本上優(yōu)勢很大。

4 結(jié)論

全閉環(huán)控制，檢測輸出電流，來發(fā)出PWM信號，是真正的恒流電源驅(qū)動控制技術(shù)。實驗表明，相對于其他非閉環(huán)的方案，這種獨有的閉環(huán)恒流控制技術(shù)使輸出電流精度有了質(zhì)的飛躍，使整機電源在全電壓、全負載、電感變化范圍內(nèi)的電流精度達到行業(yè)內(nèi)目前最高的±0.9%?
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