遲滯控制方法在D C/D C L E D降壓變換器中的應用

法雷奧(深圳)全球電子研發中心 陳曉東

遲滯控制方法在D C/D C L E D降壓變換器中的應用

法雷奧(深圳)全球電子研發中心 陳曉東

如今LED因為其高功率與高亮度的優勢，其應用越來越廣泛。LED在使用的過程之中需要有很定的電流，隨著市場的發展，傳統的控制方法已經很難滿足低成本的要求，而遲滯控制方法卻能夠滿足要求。為此，在文中介紹了DC/DC控制方法，并就如何實現遲滯控制進行了探討。

遲滯控制；DC/DC；LED

1 引言

目前在照明應用中,高功率、高亮度LED的使用越來越受歡迎。DC/DC LED驅動器作為一個恒定的電流源，為LED提供恒定的電流。傳統的控制方法主要有電壓控制和電流控制，通常LED驅動器大多也使用這兩種控制方法。隨著市場對低成本的追求，轉換器將需要最少的外部元件和良好的電流控制，一個更優的解決方案就是是遲滯控制方法。這種類型的控制方法可以寬范圍的輸入電壓條件下提供良好的輸出電流調節和以及快速的瞬態響應，快速的瞬態響應對于LED的調光輸出應用時尤為重要。

2 DC/DC控制方法概述

傳統的DCDC轉換器的控制方法主要有電壓模式控制和電流模式控制。電壓模式控制調節器的核心是脈沖寬度調制器比較器，該比較器的輸入是輸出反饋的控制電壓和時鐘鋸齒波，直接比較后產生PWM控制波形，僅包含來自輸出電壓的單反饋環路，對于輸入的瞬態響應較慢。在典型的電流模式控制中，固定頻率的時鐘信號讓MOSFET開通; 誤差放大器將反饋信號和參考電壓之間的差異放大,然后和電感電流的進行比較，當電感電流超過誤差放大器電壓時，MOSFET截止,直到一個時鐘脈沖。對于電流控制模式,需要加入斜坡補償,以避免在高占空比下的次諧波振蕩，并提高噪聲性能[1]。

3 遲滯控制的實現方法和分析

遲滯控制方法又被稱為基于輸出紋波的控制，通常是指使用DC-DC轉換器輸出紋波電壓作為脈沖寬度調制信息。它將輸出狀態的反饋電壓V_FB與參考Vref信號進行比較，以確定其開通和關斷的時間[2]。

3.1 遲滯比較控制法

圖1 遲滯比較模式控制

遲滯比較模式控制的結構如圖1所示。這個控制方法利用遲滯窗口比較器使輸出電壓控制在遲滯窗（V_H）內。遲滯比較器的滯后窗口決定了開通和關斷時間。當V_out上升到上限Vref+V_H時，MOSFET關閉，對應toff階段，在toff期間，電感電流下降，V_FB下降直到Vref；當V_FB下降到Vref，MOSFET開通，對應ton階段，在ton期間，電感電流上升，V_FB 上升直到VREF + VH，ton結束。開關頻率和輸出紋波直接取決于上下參考閾值之間的差值V_H。該控制方法的控制量是I_min 和I_max, 輸出的平均電流I_out=(I_min+I_max)/2。

此類的控制方法最大的特點是開關頻率不固定，受輸入和輸出調節的變化而變化，抗干擾能力差。

3.2 固定關斷時間控制法

在正常工作時，反饋電壓V_FB上升到參考電壓Vref，ton時間結束；進入到toff階段，關斷的時間由控制器決定，在一定的toff時間之后自動觸發開通信號。因此固定關斷時間控制量是I_max和toff時間，由于ΔI=V_out*toff/L， 那么對于特定的負載V_out以及選定的電感，電流紋波ΔI也是固定的，這樣輸入平均電流也就一定，I_out=I_max-ΔI/2。

恒定關閉時間控制，它不需要內部時鐘;通過改變上MOSFET的關斷時間來調節占空比。當輸出負載降低時，toff 時間延長，占空比變小。通常這類的控制方法對應變化的頻率[3]。

3.3 固定開通時間控制法

固定開通時間控制方法與固定關斷時間控制類似，它將電流的下降斜率與誤差放大器的輸出進行比較。當輸出電壓下降并且誤差放大器電壓上升到下降電流斜率以上，則觸發新的導通時間。當進入ton時間段時，電感電流上升，ton時間有控制器的定時器固定，ton時間結束后自動關斷，進入toff階段。在toff階段，電感電流下降，當反饋的電壓下降到Vref時就觸發開通信號，轉換器進入下一個ton。因此固定關斷時間控制量是I_max和ton時間，由于ΔI=(Vin-V_out)*ton/L， 那么對于特定的負載V_out和熟入電壓以及選定的電感，電流紋波ΔI也是固定的，這樣輸入平均電流也就一定，I_out=I_min+ΔI/2。

當負載發生瞬變時，ton時間固定，變化的是toff時間，從而調節占空比和輸出。通常這類的控制方法可以通過帶反饋的定時器實現固定的開關頻率[3]。

4 總結

遲滯控制方法主要的特點是設計簡單，容易實現，響應快，不需要外部的補償。本文所述的三種控制方法的分類主要基于其控制量的不同，開關頻率可以根據輸入輸出的條件的不同而變化，也可以實現固定的頻率。對于這三種遲滯控制方法，控制器需要引入最小開通和關斷時間的限制，以及最大電流限制來保證轉換器工作在安全區間。

[1]Robert W.Erickson,Dragan Maksimovic:Fundamentals of Power Electronics, Second Edition,2001,ISBN 0-7923-7270-0,page657-659

[2]Sanjaya Maniktala,“Voltage mode, Current mode and Hysteretic control”Mi-crosemi,technical note TN-203,2012.

[3]Kiichiro TANIGUCHI,Terukazu SATO,Takashi NABESHIMA,and Kimihiro NISHIJIMA,“Constant Frequency Hysteretic PWM Controlled Buck Converter”EDS,2009.