LED恒流驱动变换器建模与设计

本文是电力论文，本文首先简要的介绍了应用于LED驱动中的电流控制模式与电流控制模式的建模方法。然后在第二章详细地介绍了状态空间平均法、离散时间模型、Ridley’s模型、LiJian’s模型这四种对于电流控制模式的建模方法，这些分析方法都非常的经典但又各有其局限性。基于对这些分析方法的理解，在第三章中除了介绍本文所提出的平均电流检测延时关断峰值电流采样型自适应关断时间控制外，还选取了离散时间模型对本文提出的电流控制方案进行了分析。通过对峰值电流采样型自适应关断时间控制、积分型自适应关断时间控制的建模分析对比，指出了以前本文作者所在课题组提出方案的一些错误与缺点。在第四章中介绍了以0.35μmHVCMOS工艺实现的用于本文所提出的电流控制方案中的关键子电路，并给出了相应仿真结果以及简要的分析。在第五章通过首先对本文提出的电流控制方案的两条主环路：平均电流检测延时关断环路、峰值电流采样型自适应关断时间控制环路进行了仿真和验证，给出了内部的工作波形以及分析，证明了这两条环路的有效性。然后对整个系统从不同输入电压(直流供电、桥式整流供电)、不同LED个数(输出电压)、不同电感电流进行了仿真验证。另外对于一些平均电流误差较大的情况进行了具体的电路以及数学模型上的分析。结合仿真的验证以及第三章中的分析，只要我们大致确定应用的条件，便可以比较容易的修改电路的参数去改善工作条件的中心值，使该LED驱动有一个非常宽的输入电压、LED个数(输出电压)、电感值的适应范围，在该范围内的平均电感电流精度在2%以内。

第一章绪论

为了让状态空间平均法在高频范围也具有适用性，发展出了多种基于离散时间分析与采样数据分析的改进模型[31–36]。其中R.Ridley提出的模型[31]最为众多电源设计者认可，这个模型兼备了数据采样模型的准确性，同时简化了三端开关模型。如图1­7所示，这种方法首先把离散时间分析通过采样保持效应（SampleandHoldEffects）等效地由采样保持传递函数给出，把这个函数加入到连续时域模型的电流环路上。这种方法源于离散时间模型，可以精确地预测峰值电流（谷值）控制模式中的次谐波。为了进一步精确地描述控制系统，与[26]中的思路一致，完整的模型需要加入前馈增益以及反馈增益。先前的建模方法主要针对峰值电流模式控制下的次谐波震荡分析，无论如何，次谐波振荡也会发生在其他的电流控制模式中。上面所提到的建模方法不一定适用于设计者所采用的开关变换器拓扑、电流控制模式。最好从自己电路的基本结构和控制策略出发，选取合适的建模方法。

第二章电流控制模式的模型

2.1开关变换器的基本方程及分析状态

空间平均法模型给予了开关变换器简单但精确的分析，让设计者有足够的把握对整流器进行设计。但是状态空间平均法并不是完全合理的。特别是把脉冲占空比调节函数ˆp(t)用连续函数ˆu(t)来代替，这看起来是有点问题的。对于这种方法，在相对于采样频率（也就是开关频率）比较低的调节频率下，这种处理方法的带来的误差是非常小的。但当系统带宽接近开关频率一般时，采样的效应就无法忽略了。正如绪论中所提到，为了让状态空间平均法在高频范围也具有适用性，无数前人提出了多种改良模型，其中最为广泛使用的一种模型是由R.Ridley提出的模型[31]。这个模型兼备了数据采样模型的准确性，同时简化了三端开关模型，通过采样保持效应把离散时间传递函数转换成连续时间形式，并为模型添加了前馈增益以及反馈增益，这种建模方法非常经典。

2.2状态空间平均法

方程(2­23)是线性的，但不是绝对的时不变的，其受到一系列的单位冲激函数的影响。在方程的前两项的系数是时变的，而方程的第三项实际上是表征通过采样连续函数u(t)去驱动占空比调制。为此，我们需要把方程(2­23)作适当的处理，使其获得时不变特性。最简单的处理方法是把这些时变的部分替换成为它们的平均值，自然这也会带来一些误差，接下来将会对这些误差进行分析。由于上文给出的开关变换器的模型只适用于小信号扰动分析，这意味着我们也需要建立控制器的小信号模型。为了把非线性的开关变换器更为方便地进行分析，对系统中的各个部分作拉氏变换，使得整个系统可以在频域上进行描述，占空比调制器的输出便是一个不同输入频率的线性组合。

第三章平均电流控制方案及建模分析............................................................31

3.1平均电流检测延迟关断环路................................................................32

3.2峰值电流采样型自适应关断时间控制..................................................33

3.3积分型自适应关断时间控制................................................................41

第四章子模块设计与分析.............................................................................50

4.1前沿消隐电路....................................................................................50

4.2比较器..............................................................................................51

4.3误差放大器.......................................................................................53

4.4电流产生电路....................................................................................55

4.5过流检测电路....................................................................................56

4.6驱动模块...........................................................................................58

4.7本章小结...........................................................................................59

第五章主环路及整体电路仿真分析................................................................60

5.1平均电流检测延时关断环路................................................................60

5.2峰值电流采样型自适应关断时间控制环路...........................................63

5.3整体电路仿真....................................................................................64

第五章主环路及整体电路仿真分析

5.1平均电流检测延时关断环路

额外探讨了高频输入扰动对该电流控制模式的影响，在输入源加入了幅值为1V，频率为1MHz(约为10倍的开关频率)的扰动进行仿真，仿真结果如图5­6所示。我们可以看到由于扰动频率、幅值较高，电感电流无法完全进入稳态(每个周期的峰值与谷值电流都有细微的扰动)，但它的纹波幅度与峰值电流误差仍然维持在一个良好的范围内。那么其谷值电流是设定的值Iv0，在这个周期的输入电压若与之前的周期不同，只要能保证t1=t2，所改变的仅仅是开启时间，这个周期的峰值电流仍是我们设定的峰值电流Ip0，而关断时间并不会受到输入电压变化的影响，电感电流依然会在这个周期结束时下降到我们所期待的Iv0。对于AC­220V，50Hz，滤波电容C1=10μF的桥式整流供电应用到平均电流检测峰值电流采样型自适应关断时间控制模式中，虽然供电电压变化范围非常大，但只要频率没有接近或者高于开关频率，本质上在每个周期的工作与直流供电下的工作是没有区别的，其影响的只有每个周期的占空比、开启时间，但并不影响平均电流以及纹波幅度。

5.2峰值电流采样型自适应关断时间控制环路

证明本文提出的电流控制方案能适应非常宽的电压摆幅。平均电流随着电源电压的提高有一个微小的上升趋势，其原因是因为随着电源电压的上升，开启时间的电感电流上升斜率(Vin−Vo)/L随之增大。根据平均电流检测控制延时关断的原理，在电感电流达到目标电流Ia0之后，由于比较器的延时，对电容CACHT的充电还会持续一个微小的时间，再进入放电阶段，这段时间电感电流上升斜率越大，带来的误差也相应增大。尽管如此，这个误差也在一个相当小的范围。本文主要讨论一种宽输入电压范围、高电流精度的电流模式LED驱动，其本质是一种新颖的开关变换器电流控制模式。这个LED驱动的分析与设计将会围绕着电流模式控制的建模分析而展开。利用离散时域分析去得到电路的静态工作点、各项传递函数，并以此指导系统的设计，保证系统的稳定性。最后，利用0.35μmHVCMOS工艺，给出了子模块以及整体电路的设计方案，进行了仿真验证，并对仿真结果作出了相应的分析。#p#分页标题#e#

第六章全文总结与展望

最后我们在表6­1给出本文提出的电流控制模式LED驱动与其他的LED驱动[8,10,43]的性能对比。本文的工作的缺失主要在两方面：没有建立连续时间模型以及缺乏流片验证。对比于峰值电流控制模式或者恒定开启时间、恒定关断时间控制，本文所提出的控制模式进行建模的难点在于其进行反馈调节时，不仅改变功率开关在这个周期的关断时间，还会影响下一个周期的开启时间。由于没有固定的开关周期、开启或关断时间来作为一个参考，难以使用占空比调制来表征这种控制方法（当然，本文所提出的控制方案本质上也属于占空比调制，但却难以通过占空比的变化描述状态变量变化）。文中所提到的状态空间平均法、Ridley’s模型、LiJian’s模型都是从占空比调制效应出发开展分析，始终难以适用到本文所提出的控制方案中。为了分析系统的高频特性，采用了离散时间分析，寻找开关周期中的一些瞬间去描述这个控制模式的小信号行为。由于这个分析是基于一系列的离散序列，传递函数只能在z域上得以表征，这违背了平常设计中所使用的频域分析，尽管从仿真验证的结果来看离散时间分析能比较好的预测系统的特性，但本文作者在设计时仍时时会感到不安，因为无法根据频域分析对电路内的环路进行频率补偿设计，所以只能在设计的时候尽可能地把误差放大器以及运放的带宽设计得足够大，保证在高频下的线性度。对本文所提出的电流控制方案建立连续时间模型、作频域分析是一个非常值得探索且有意义的方向
参考文献（略）