淺析低邊Buck型LED驅(qū)動電路

對于LED照明的恒流應(yīng)用，如果對隔離沒有要求，并且輸出電流不大的話，那么Buck型結(jié)構(gòu)應(yīng)該是性價比最好的選擇。首先，同等的功率級別以及輸入輸出規(guī)格下，Buck型電路中開關(guān)管的電壓應(yīng)力是最小的，實際承受的最大電壓即輸入直流母線電壓，因此500V耐壓的開關(guān)管即可滿足通用輸入范圍的要求。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，希望大家能夠幫忙補充。 　　Buck型電路用于LED驅(qū)動我接觸最早的應(yīng)該是HV9910，這是一個簡單的峰值電流模式PWM控制器，論壇曾有很多前輩討論它的是非。個人認為，這個IC算是過時了，為了保證較好的電流精度，對輸入輸出的變化范圍以及電感量的精度都有嚴格的要求。這次的帖子我打算以我接觸過的兩個用的比較多的IC來討論Buck型LED驅(qū)動電路，它們是晶豐明源的BP2822以及占空比的DU8623。首先有必要聲明，這里僅作為技術(shù)交流，不涉及廣告成分。 　　上圖我簡單畫了下幾種常見的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。所以可以想象，為什么一片高低邊驅(qū)動器價格動輒好幾塊錢。 　　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(fù)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(yīng)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，我們就來看看這些電路是如何來恒流的。首先，我們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(guān)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 　　如果要恒流，只要將電感的峰值電流和谷值電流定死就行。如下圖，對于低邊Buck型結(jié)構(gòu)，開關(guān)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(guān)管關(guān)斷，那么峰值電流就定下來了。假設(shè)這個閾值為Vthh，那么峰值電流大小為： 　　IL_peak=Vthh/Rcs 　　接下來的開關(guān)周期內(nèi)，電感通過二極管D續(xù)流，如下圖所示。這就出現(xiàn)了一個問題，此時的電流不再流經(jīng)開關(guān)管，控制電路無法知道電流下降到何種程度了。 　　怎么辦？先看一下下面這個圖。用過臨界模式PWM控制IC的應(yīng)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(guān)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(guān)管關(guān)斷期間，電感電流下降，輔助繞組感應(yīng)產(chǎn)生一個正電壓，當電感電流下降為零時，感應(yīng)電壓消失，觸發(fā)開關(guān)管重新開啟。D1這個二極管是用來阻斷開關(guān)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，因為可以在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。 　　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(yīng)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(fù)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(guān)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。 　　大家看下圖。假設(shè)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)。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)。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(fù)雜度。 　　究竟是如何檢測的呢？再看下圖就知道了。下管的源漏寄生電容導(dǎo)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。 　　最后我們看一下這個系統(tǒng)該如何實現(xiàn)。下圖是我想出來的一種最簡單的方式，當然BP2822的內(nèi)部不一定是這么做的，但是估計也差不到哪里去。兩個比較器，為了簡單起見，我接到了同一個參考電壓源上，一個用來檢測到峰值后觸發(fā)開關(guān)管關(guān)斷，一個用來檢測到振蕩后觸發(fā)開關(guān)管開啟。最后電感被迫工作在近似臨界模式下。所以輸出電流的近似計算就成了： 　　Io=Vref/2Rcs 　　對于BP2822，Vref=0.4V。最后的圖給出了相關(guān)的波形，大家可以自己對照。