基于反饋控制的高能效LED驅動電路設計

張微微

（江蘇開放大學教務處，南京210019）

基于反饋控制的高能效LED驅動電路設計

張微微*

（江蘇開放大學教務處，南京210019）

為提高可調光發光二極管（LED）的靈活性和能量效率，提出了一種基于反饋控制的LED驅動器。該驅動電路采用了自適應電壓調節技術，使線性電流調節器的功率損耗降到了最低。并設計了相應的基于電阻數字模擬轉換器的數字控制機制，可用于饋送dc-dc轉換器的模擬反饋輸入。實驗結果顯示，提出的數字控制方法靈活性和穩定性較高，且能夠有效控制調節速度。當輸入電壓為26 V時，LED驅動器能夠提供較寬的5 V～40 V輸出電壓范圍，獲得了較大的靈活性。在輸出電流為680 mA時，穩定狀態下的精確度超過97.7%，頻率為1 kHz且最短的接通持續時間為4 μs，系統的峰值效率達94.1%。

發光二極管驅動器；反饋控制；脈沖寬度調制調光；能量效率

發光二極管（LED）在顯示照明、交通信號燈、汽車制造行業等各領域越來越受到歡迎［1-2］，其主要優點是能效高、使用壽命較長，且不含有毒成分［3-4］。由于LED的應用越來越廣泛，使得設計高能效的驅動電路顯得尤為重要。通過調光可以減少燈具的能耗，增效節能，因此就室內照明而言，驅動器的設計方案應同時提供調光功能。眾所周知，控制LED亮度的常用辦法是通過振幅調制或脈沖寬度調制（PWM）調整LED的正向電流，原因在于光通量幾乎是與LED電流成正比關系［5］，因此此項技術的關鍵是優化電流的PWM控制技術。

目前，許多學者提出了多種降低損耗的方法和優化驅動器拓撲結構來獲得最大效率［6-8］。常用方法是通過采用DC-DC轉換器使線性電流調節器的電壓降到最小。結果表明，柵源電壓（VGS）或者漏極電位（VD）均可作為反饋控制信號用于電壓調節回路。參考文獻［9］提出將單端初級電感轉換器（SEPIC）用于電源和電壓控制的策略，轉換器上附有多個帶有PWM調光功能的并聯電流調節器。

本文提出了一種基于反饋控制的LED驅動器設計方案，將不同LED通道上功率MOSFET的最大VGS作為電壓調節回路的控制變量，并且將模擬反饋直接用于PWM。出于效率的考慮，將電流調節器的功率MOSFET保持在線性區域內非常重要。實際上，這對調制器增益提出了較高的要求，為了獲取較高效率，調制器增益必須非常低。然而，增益非常低的離散調制器是不切實際的［9］。參考文獻［3］采用了相似的理念，即：使用SEPIC和多個并行LED串以及PWM開關的線性電流調節器。模擬反饋控制可用于自適應電壓調節，其中包括兩個運算放大器及多個電阻器。使用并行LED串漏極電位的最小值來控制反饋回路。

提出的可調光LED驅動器帶有數字自適應電壓調節，且輸出電壓范圍非常廣。在電壓控制回路中使用了電阻式數字模擬轉換器（DAC）結構，此結構為降壓升壓轉換器的反饋提供了模擬反饋信號。對提出的系統進行了性能評估，并進行了硬件實現。實驗結果顯示，提出的數字控制方法靈活性和穩定性較高，且驅動電路滿足了高能效和高電流精確度的要求。

1　提出的基于反饋控制的LED驅動器

圖1顯示了提出的可調光LED驅動器的結構，此結構包括3個主要功能模塊：用于電源控制的降壓升壓轉換器、用于亮度控制的PWM開關線性電流調節器以及用于自適應電壓調節的帶有電阻式DAC的反饋控制，數字反饋控制可用于自適應電壓調節。

圖1　提出的帶有數字反饋控制的可調光LED驅動器結構示意圖

從圖1可看出，降壓升壓轉換器與單個LED串連接起來。實際上，通過使用多個模擬數字轉換器通道及微控制器（μC）的PWM輸出，可將本文提出的設計理念延伸至多個并行的LED串［10］。

盡管如此，本文的重點仍在于具有一個通道的LED驅動器，以證實研發的數字自適應電壓調節的功能，并在效率及回路穩定性方面對系統性能做出評估。總體目標是：在保證穩定運行的情況下，實現較寬的輸出電壓范圍以獲得最大的靈活性。與文獻［5，9］提出的方法相似之處在于，應確保電流調節器上的電壓降VD最小，以便大大降低了效率，原因在于其控制著靜態損耗。提出的自適應電壓調節將晶體管T2的漏極電位VD當作反饋控制變量。下文會介紹上面提及的主要系統部件，并且突出強調每個模塊的重要方面及注意事項。

2　功能模塊設計

實現較寬的輸出電壓范圍，可以獲取最大的設計靈活性［2］。因此，需要選取降壓升壓轉換器來實現本文提出的驅動器。轉換器的輸出電壓通常為26 V，直接供給LED。選取的降壓升壓控制器可以處理38 V的輸入電壓［4］。限制最大輸出電流及最大可用功率的是晶體管Ta-Td、感應器L=68 μH、檢測電阻Rsense，1等外部部件。應注意：使用的功率轉換器受PWM控制，并且在固定的頻率下運行。正如本文稍后所講，降壓升壓轉換器的輸出電壓由RA和RB的電阻式分壓器進行設置，其中RB的數值由電阻式DAC確定。

設置 LED電流為 ILED=680 mA，工作頻率為400 kHz，以便實現較寬的輸出電壓范圍。假設每個LED的正向電壓為VF≤3.6 V，連續驅動10個LED是可能實現的。由于LED是電流控制型設備，必須非常精確地調節和調整LED電流的絕對電平。在模擬調光的情況下，這會變得非常明顯，原因在于感知亮度幾乎與LED正向電流成正比。實際上，在PWM調光的情況下，精確的電流控制同樣重要，可以使色移降到最低。因此，電流調節器必須補償LED電源電壓VDD，LED的變化或LED正向電壓VF的變化，變化可能由溫度波動引起。提出的設計考慮了包括降壓升壓轉換器的電壓紋波及負載變化造成的電壓驟降。因此，設計要素必須包括的一定的電流調節器壓降安全余量。為了使余量最小，希望能夠實現轉換器的低壓紋波及負載瞬變的小幅降落，以便提高效率。

此外，為了獲得較高PWM頻率和較寬調光范圍，要求接通和斷開時間非常短。提出的設計利用了線性電流調節器的典型結構，如圖1所示。為了使接通和斷開時間非常短，選取了門容量低的MOSFET及高速運算放大器。電流調節器的最短PWM接通持續時間確定了最小亮度。提出的驅動器可實現的最短接通持續時間為 tPWM，on，min=4 μs。PWM調光頻率設置為1 kHz，因此，最小的占空比為0.4%。PWM分辨率為16 bit。

通過脈沖調節基準電壓Vref實現了PWM調光。當T1不導電時（VPWM=0），電阻器Rset，2會將PWM輸入拉低，目標電流設置為零。從圖1可看出，添加較小電阻Ry和較大上拉電阻Rx可以校正OP的輸入偏移電壓，較小電阻Ry嵌入在反饋路徑，較大上拉電阻Rx可以提升負輸入。為了避免出現過沖和振蕩，需要電容器Ccomp，1和Ccomp，2進行補償。

3　提出的電阻式DAC反饋控制方法

由圖1和圖2中RA和RB的電阻式分壓器對降壓升壓轉換器的輸出電壓VDD，LED進行設置。為了實現自適應電壓調節，可通過數字控制字bDAC調整電阻RB。圖2是反饋控制回路。如果電源電壓VDD，LED上升，漏極電位VD也會增加。數字控制會削減控制字bDAC，電阻RB也會較大。所以，VDD，LED會再次下降。實際上，可將電流源VD的下降減到最低，電流源VD是主要的控制參數。

圖2　使用了電阻式DAC的數字反饋控制回路

在本文提出的實施方案中，為電阻式DAC選擇的分辨率為NDAC=8 bit。可看出，電阻R1～R8必須具有二進制加權值，并且：

可根據下列等式計算出DAC的總電阻RB。

其中，bDAC是0～（2NDAC-1）范圍內的二進制輸入值。此關系式表明VDD，LED依賴于二進制控制字碼bDAC。因此，代入給定的bDAC值，可根據下列等式計算出降壓升壓轉換器的輸出電壓VDD，LED。

選取的降壓升壓轉換器將反饋針的電壓VFB調至0.8 V。與數控電阻R1～R8并行的電阻器Rmax設置了最小電阻 RB，并且與 RA一起確定了最小的VDD，LED。應注意：電阻式分壓器僅能夠降低反饋電阻RB，因此，可以為VDD，LED設置較高的理想值。所以，8 bit電阻式DAC的分辨率連同為R1挑選的數值會對最大的輸出電壓進行分配。

在VDD，LED，min=5 V到VDD，LED，max=40 V的較寬調整范圍內，代入選取的數值，可逐步將VDD，LED變為Vstep= 143.75 mV。需注意：bDAC局限于某一數值，該數值與低于降壓升壓控制器最大額定值38 V的輸出電壓相對應。如果將DAC值設置得過高，可能會對降壓升壓控制器造成損壞。由于晶體管T2的漏極電位VD被當作反饋控制變量，當LED電流穩定時，PWM周期開始不久之后時間固定點上的微控制器會檢測到此漏極電位。顯然，預測量延遲必須短于電流調節器的最短接通持續時間。

圖3　數字自適應電壓調節的流程圖

圖3是數字自適應電壓控制法。交替對輸出電壓VDD，LED和漏極電位VD進行測量。在m測量之后，對記錄的電壓等級平均值進行計算和評估。求取多個周期內VD的平均值不僅可以獲得更加精確的漏極電位值，而且也可以確定電壓控制回路的調節速度。實際上，調整平均周期數會使控制回路中的延遲不同，所以，也就保證了回路的穩定性。

由于本文提出的系統包括3個不同的控制回路，即：電流調節、降壓升壓控制及自適應電壓調節，需保證回路與回路之間不會形成干擾。與其它兩個速度快的控制回路形成對比，極力降低自適應電壓調節的速度可以確保所需的解耦。通過控制平均周期數會實現對調節速度的精確定時控制。隨后，將VD，mean與多個閾值進行比較。在本文提出的實施方案中，希望漏極電位保持在VD，min=400 mV與VD，max=55 0 mV≥VD，min+Vstep之間，原因在于電流調節器需要至少400 mV的余量對電源電壓或LED正向電壓的波動作出反應。通過增加電阻式DAC的分辨率可使窗口最小化。

如果實測漏極電位的較大偏差超過Vhigh=2 V或低于Vlow=0.1 V，步長會增加至10，這樣會提升電壓變化較大情況下的調節速度，尤其是在大量LED通電的情況下。電阻R1～R8的公差不會對自適應電壓調節的性能產生影響，原因在于會對VD進行連續測量，且會對任何偏差誤差進行補償。即使DAC因某些點上的公差變成非單調，控制回路仍會保持穩定。bDAC的新值會直接正向饋送至電阻式DAC，會相應地切換電阻器。數字控制算法會提供最大的靈活性，原因在于該算法允許確定bDAC的最大值和最小值。其中bDAC，min設置為零，bDAC，max設置為200，與最大電壓32.3 V相對應。

4　實驗結果

為了評估提出的LED驅動器和其控制方法的性能，進行了實際電路測試。圖4是制作的測試板。從中可看出，該測試板包括多個連接器，用于測量各自模塊的電流和電壓。這樣就可能會測量包括所有部件功率損耗在內的系統效率，包括微控制器和開關電源。

圖4　測試板照片

4.1降壓升壓轉換器性能

實際上，提出的LED驅動器實現的寬輸出電壓范圍會影響轉換器的效率η。圖5是恒定輸出電流為680 mA時降壓升壓轉換器在輸入電壓為12和26 V條件下的效率曲線。

圖5　降壓升壓轉換器的實測效率

如圖5所示在整個輸出電壓的范圍內，均實現了較高的效率。出于安全考慮，繪制曲線時最大電壓僅為32.3 V。由于最大值為bDAC，max=200，才設定了此限制。從中可看出，全部輸出電壓未達到Vin=12 V，原因在于輸入電流受到了Rsense，1的限制（見圖1），Rsense，1在26 V條件下運行。在下列測量中，Vin固定為26 V。降壓升壓控制器IC在400 kHz的固定工作頻率下運行，考慮到效率，由額外的5 V電源提供。

4.2電流調節器性能

開關電源的輸出會影響電流調節器的性能，例如，通過固有電壓紋波或因負載瞬變引起的電壓驟降。圖6和圖7是LED電流ILED的平均和單次測量結果，用以獲得6個LED中的最小PWM占空比。除了4個時間點上的噪聲畸變不同以外，兩條曲線幾乎一樣。高頻噪聲來自降壓升壓級的電源開關。

進一步觀測得出，就PWM調光頻率而言，轉換器晶體管會在任意的時間間隔內切換。因此，在平均電流中無法看見噪聲感應。實際上，在室內照明中，高頻噪聲會變得不相干，原因在于人類的眼睛也會平均分配感受到的亮度，無法發現電流中的波動。此外，在穩定性、穩健性、精確度或安全工作區方面，開關噪聲不會對電流調節器或LED構成威脅。如此看來，較短的接通和斷開時間是可以實現的。電流需要大約2 μs來穩定在理想的水平上，然而，幾乎瞬間就會斷開。在穩態條件下，測量到的LED電流為ILED≈708 mA，與標稱值的偏差低于1.09%。為了確定測量LED電流方差，需要進行額外的測量。首先，圖8是LED電流及電源電壓的實測分布圖。在這種情況下，如果電壓偏差會影響LED電流，這種影響就會顯而易見。我們清楚地認識到：電壓紋波遠低于10 mV，可忽略不記。然而，正如所料，開關電源的高頻峰值會對電流造成影響。在非常短的時間間隔內觀測到的電流峰值多達50 mA。如上所述，這些峰值不會對電流調節器的性能造成顯著影響。其次，圖9是實測LED電流與標稱值偏差的百分比。從中可看出，偏差低于1.09%。因此，電流的精確度至少為97.7%。

圖6　LED平均電流ILED的測量結果

圖7LED電流的單次測量結果

圖8　一段時間內LED電流ILED及電源電壓VDD，LED的實測分布圖

圖9　根據調光水平得出的有關標稱值的ILED實測電流精確度

4.3自適應電壓調節性能

圖10～圖12是提出的帶有數字自適應電壓調節系統的控制狀態。

圖10　提出的數字控制法后在啟動階段VDD，LED的實測自適應電壓調節。

圖11　VDD，LED的實測自適應電壓調節。

圖12　VDD，LED的實測自適應電壓調節

在所有情況下，3個LED均被當作降壓升壓轉換器的負載，原因在于：LED的數量越少，越能更好地觀察調節過程。在一段時間內對輸出電壓VDD，LED進行測量，卻會連續不斷地接通LED（PWM占空比為100%）。通過研究LED驅動器的啟動行為，可看出調節機制運行良好、迅速且穩定。越接近目標電壓，自適應電壓控制器的步長就會從十減少到一，使調整更加精確。在提出的實驗測試中，根據為電阻式DAC選取的數值，步長Vstep=143.75 mV。

圖11中，對更長時間內的調節行為進行了測量。從中可看出，一段時間之后電壓會下降，LED的熱傳輸會導致正向電壓下降。顯然，數字自適應電壓調節會對此效應進行補償，并且會相應地調整VDD，LED。考慮到能量效率，此特性十分重要，因為功率損耗可以降到最低。曲線圖表明電源電壓在大約6.5 s后減少了兩個電壓級。實際上，節約的功率大約為：

當總功耗為Ptotal=6.86 W時，如果未進行補償，效率會降低3%。圖12說明系統對電壓跳變的反應相對迅速且穩定。僅使用兩個LED操作系統，直到時間點顯示為0 ms為止。然后，在某一時間內打開第3個LED的旁路開關，且在幾百毫秒之后會再次進行。此實驗的目的在于模擬LED的短路故障。由于自適應電壓調節非常迅速且穩定，如果LED發生故障，就可以避免電流調節器出現過熱、故障或使用壽命減少等問題。

5　性能對比分析

對于效率測量結果，考慮到了提出的帶有自適應電壓調節LED驅動器的所有零件，如圖1所示。測量結果如圖13所示。

圖13　包含LED驅動器、微控制器及開關電源在內的整個控制系統的實測效率。

在所有情況下，根據PWM占空比，對多個LED配置的效率進行測量。從中可看出，在非常廣的調光范圍和不同的LED組件內獲取了非常高的能量效率。當占空比為92%時，峰值效率達η=94.1%。

提出的LED驅動器與其他類似文獻的性能比較結果，如表1所示。前兩種方法［5，9］同樣也使用了自適應電壓調節，然而，其它系統只限于單個dc-dc轉換器。可看出，在控制速度、精密度、穩定性及輸出電壓范圍方面，本文提出的數字控制法均表現良好，并提供了額外的靈活性。由于基準參考是傳統的dc-dc轉換器，相較于本文提出的LED驅動器，它們效率更高，但電流精確度卻更差。盡管［10］調研工作中的效率略勝一籌，DC的平均電流精確度比本文提出的系統幾乎差1%。此外，參考文獻［10］中LED驅動器的電流紋波非常高。然而，電流精確度及紋波是LED照明系統的重要質量度量。

表1　不同LED驅動器的性能比較

6　結論

本文提出一種基于電阻式DAC反饋控制的高效LED驅動器，可用于自適應電壓調節。提出的數字控制法能夠實現實現較大的靈活性，原因在于此方法能夠精確地定時控制調節速度及回路的穩定性。測試結果表明，當PWM占空比為92%時，通過驅動6個大功率LED，包括微控制器和降壓升壓控制器電流損耗在內的整個系統峰值效率為94.1%。當頻率為1 kHz且最短接通持續時間為4 μs時，可實現PWM調光。在較大的調光范圍內，當LED標稱電流為ILED=680 mA時，LED電流的精確度大于97.7%。由于輸出電壓范圍較寬即5 V～40 V，使用的LED驅動器可靈活應用于各種照明設備。

［1］Steranka F M，Bhat J，Collins D，et al.High Power LEDs-Technology Status and Market Applications［J］.Physica Status Solidi，2002，194（2）：380-388.

［2］Syed-Khaja A，Franke J.Design and Solder Process Optimization in MID Technology for High Power Applications［J］.Advanced Materials Research，2014，1038：107-112.

［3］Chiu H J，Lo Y K，Chen J T，et al.A High-Efficiency Dimmable LED Driver for Low-Power Lighting Applications［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（2）：735-743.

［4］田立東，周繼軍，秦會斌.PWM調光LED驅動器設計［J］.機電工程，2012（4）：465-468.

［5］徐根達，趙合昌.一種高效大功率LED驅動電源設計［J］.電源技術，2011（7）：811-813.

［6］Felgner F，Exel L，Nesarajah M，et al.Component-Oriented Modeling of Thermoelectric Devices for Energy System Design［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61（3）：1301-1310.

［7］王易，徐祥柱，黎兆宏，等.一種用于LED驅動的恒流控制電路設計［J］.微電子學，2012（2）： -.

［8］段華棟，蘇成悅，周鎮，等.基于滯環跟蹤控制的LED驅動電路設計［J］.現代電子技術，2012（16）：134-136.

［9］Hu Y，Jovanovic M.LED Driver with Self-Adaptive Drive Voltage［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23（6）：3116-3125.

［10］Garcia J，Calleja A J，LóPez Rominas E，et al.Interleaved Buck Converter for Fast PWM Dimming of High-Brightness LEDs［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26（9）：2627-2636.

張微微（1982-），女，漢族，遼寧撫順人，江蘇開放大學實驗師，碩士。主要研究方向為電子信息技術，計算機技術，系統開發。

The Design of Driving Circuit for High Efficiency LED Based on Feedback Control

ZHANG Weiwei*
（Teaching Affairs Office，Jiangsu Open University，Nanjing 210019，China）

In order to improve the flexibility and energy efficiency of tunable light emitting diode（LED），a LED driver based on feedback control is proposed.The driving circuit uses the adaptive voltage regulator technology，so that the power loss of the linear current regulator is reduced to a minimum.The digital control system based on digital analog converter is designed，which can be used to feed the analog feedback input of DC-DC converter.The experimental results show that the proposed method has high flexibility and stability，and can effectively control the speed of adjustment.When the input voltage is 26 V，the LED driver is able to provide a wide range of 5 V～40 V output voltage，and the greater flexibility is obtained.At the output current of 680 mA，the accuracy of the stable state is more than 97.7%，the frequency is 1 kHz and the shortest time is 4 μs，the peak efficiency of the system is 94.1%.

light emitting diode driver；feedback control；pulse width modulation dimming；energy efficiency

TN206

A

1005-9490（2016）05-1192-07

2015-10-14修改日期：2015-11-11

EEACC:4260D；126010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.034