LED恒流驅動之不同控制模式的比較分析
2012-08-01
市場上可以買到的微功率電源芯片有以下幾種控制模式：
PFM、PWM、chargepump、FPWM、PFM/PWM以及pulse-skipPWM、digitalPWM
其中常見的有PFM、PWM、chargepump以及PFM/PWM
1、PFM是通過調節脈沖頻率（即開關管的工作頻率）的方法實現穩壓輸出的技術。它的脈沖寬度固定而內部震蕩頻率是變化的，所以濾波較PWM困難。但是PFM受限于輸出功率，只能提供較小的電流。因而在輸出功率要求低，靜態功耗較低場合可采用PFM方式控制。
2、PWM的原理就是在輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環反饋，調節集成電路內部開關器件的導通脈沖寬度，使得輸出電壓或電流等被控制信號穩定。PWM的開關頻率一般為恒定值，所以比較容易濾波。但是PWM由于誤差放大器的影響，回路增益及響應速度受到限制，尤其是回路增益低，很難用于led恒流驅動，盡管目前很多產品都應用這種方案，但普遍存在恒流問題。在要求輸出功率較大而輸出噪聲較低的場合可采用PWM方式控制。
3、chargepump電荷泵解決方案是利用分立電容將電源從輸入端送至輸出端，整個過程不需要使用任何電感。chargepump主要缺點是只能提供有限的電壓輸出范圍（輸出一般不會超過2倍輸入電壓），原因是當多級chargepump級聯時，其效率下降很明顯。用chargepump驅動一個以上的白光LED時，必須采用并聯驅動的方式，因而只適用于輸入輸出電壓相差不大的應用。
4、采用DigitalPWM（數字脈寬調制）通過對獨立數字控制環路和相位的數字化管理，實現對DC/DC負載點電源轉換進行監測、控制與管理，以提供穩定的電源，減少傳統供電模組的電壓波幅造成系統的不穩定，而且DigitalPWM并不需要采用傳統較高量的液態電容用作儲波及濾波作用。DigitalPWM數字控制技術，能夠使得MOSFET管運行在更高的頻率下，有效的緩解了電容所受到的壓力。digitalPWM適用于大電流密度，其響應速度很快，但回路增益仍受到限制，目前成本相對較高。因此其在LED恒流驅動上的應用仍需進一步研究。
5、FPWM（強制的脈寬調制）是一種恒流輸出為基礎的控制方式，它的工作原理是無論輸出負載如何變化總是以一種固定頻率工作，高側FET在一個時鐘周期打開，使電流流過電感，電感電流上升產生通過感抗的電壓降，這個壓降通過電流感應放大器放大，來自電流感應放大器的電壓被加到PWM比較器輸入端，和誤差放大器的控制端作比較，一旦電流感應信號達到這個控制電壓，PWM比較器就會重新啟動關閉高側FET開關的邏輯驅動電路，低側的FET會在延遲一段時間后打開。在輕負載下工作時，為了維持固定頻率，電感電流必須按照反方向流過低側的FET。FPWM技術驅動芯片目前只見到MAXIM和NationalSemiconductor的芯片使用。
如上PFM、PWM是采用恒壓驅動方式控制LED，而FPWM和PFM/PWM是恒流驅動方式控制技術，實踐證明較適合LED驅動。
有廠商推出的IV0101/IV0102升壓轉換器芯片。它的控制模式是在PFM基礎上改進的PFM/PWM控制技術，是PFM與PWM有機結合的控制方式（不是PFM與PWM的切換），是以輸入電壓確定N開關管開啟時間，輸出電壓與輸入電壓差確定同步管開啟時間，而不像PWM采用誤差放大器反饋輸出的方式調節脈寬。在有一定負載情況下，開關頻率取決于N管開啟時間tN和P管開啟時間tP。
其中tP≧KP/(Vout-Vin)；tN≦KN/Vin
在輕負載時，充電周期持續在最大值tN。當電感電流為零，同步整流管開啟時，芯片工作在分立式模式（DCM）下。當負載增加時，由于大負載原因，輸出很快降至設定點。如果負載電流增加，芯片工作在連續模式（CCM）下，即總有電流流過電感，只要電感電流峰值沒有達到最大，那N管開啟時間tN始終保持在設定點。當充電結束開始放電周期時，開關管電流將達到最大。但是，滿負載仍未達到，因為在最小放電時間結束后，輸出仍然可調。當放電時間到最小值tP時，將達到滿負載。
PFM、PWM、chargepump、FPWM、PFM/PWM以及pulse-skipPWM、digitalPWM
其中常見的有PFM、PWM、chargepump以及PFM/PWM
1、PFM是通過調節脈沖頻率（即開關管的工作頻率）的方法實現穩壓輸出的技術。它的脈沖寬度固定而內部震蕩頻率是變化的，所以濾波較PWM困難。但是PFM受限于輸出功率，只能提供較小的電流。因而在輸出功率要求低，靜態功耗較低場合可采用PFM方式控制。
2、PWM的原理就是在輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環反饋，調節集成電路內部開關器件的導通脈沖寬度，使得輸出電壓或電流等被控制信號穩定。PWM的開關頻率一般為恒定值，所以比較容易濾波。但是PWM由于誤差放大器的影響，回路增益及響應速度受到限制，尤其是回路增益低，很難用于led恒流驅動，盡管目前很多產品都應用這種方案，但普遍存在恒流問題。在要求輸出功率較大而輸出噪聲較低的場合可采用PWM方式控制。
3、chargepump電荷泵解決方案是利用分立電容將電源從輸入端送至輸出端，整個過程不需要使用任何電感。chargepump主要缺點是只能提供有限的電壓輸出范圍（輸出一般不會超過2倍輸入電壓），原因是當多級chargepump級聯時，其效率下降很明顯。用chargepump驅動一個以上的白光LED時，必須采用并聯驅動的方式，因而只適用于輸入輸出電壓相差不大的應用。
4、采用DigitalPWM（數字脈寬調制）通過對獨立數字控制環路和相位的數字化管理，實現對DC/DC負載點電源轉換進行監測、控制與管理，以提供穩定的電源，減少傳統供電模組的電壓波幅造成系統的不穩定，而且DigitalPWM并不需要采用傳統較高量的液態電容用作儲波及濾波作用。DigitalPWM數字控制技術，能夠使得MOSFET管運行在更高的頻率下，有效的緩解了電容所受到的壓力。digitalPWM適用于大電流密度，其響應速度很快，但回路增益仍受到限制，目前成本相對較高。因此其在LED恒流驅動上的應用仍需進一步研究。
5、FPWM（強制的脈寬調制）是一種恒流輸出為基礎的控制方式，它的工作原理是無論輸出負載如何變化總是以一種固定頻率工作，高側FET在一個時鐘周期打開，使電流流過電感，電感電流上升產生通過感抗的電壓降，這個壓降通過電流感應放大器放大，來自電流感應放大器的電壓被加到PWM比較器輸入端，和誤差放大器的控制端作比較，一旦電流感應信號達到這個控制電壓，PWM比較器就會重新啟動關閉高側FET開關的邏輯驅動電路，低側的FET會在延遲一段時間后打開。在輕負載下工作時，為了維持固定頻率，電感電流必須按照反方向流過低側的FET。FPWM技術驅動芯片目前只見到MAXIM和NationalSemiconductor的芯片使用。
如上PFM、PWM是采用恒壓驅動方式控制LED，而FPWM和PFM/PWM是恒流驅動方式控制技術，實踐證明較適合LED驅動。
有廠商推出的IV0101/IV0102升壓轉換器芯片。它的控制模式是在PFM基礎上改進的PFM/PWM控制技術，是PFM與PWM有機結合的控制方式（不是PFM與PWM的切換），是以輸入電壓確定N開關管開啟時間，輸出電壓與輸入電壓差確定同步管開啟時間，而不像PWM采用誤差放大器反饋輸出的方式調節脈寬。在有一定負載情況下，開關頻率取決于N管開啟時間tN和P管開啟時間tP。
其中tP≧KP/(Vout-Vin)；tN≦KN/Vin
在輕負載時，充電周期持續在最大值tN。當電感電流為零，同步整流管開啟時，芯片工作在分立式模式（DCM）下。當負載增加時，由于大負載原因，輸出很快降至設定點。如果負載電流增加，芯片工作在連續模式（CCM）下，即總有電流流過電感，只要電感電流峰值沒有達到最大，那N管開啟時間tN始終保持在設定點。當充電結束開始放電周期時，開關管電流將達到最大。但是，滿負載仍未達到，因為在最小放電時間結束后，輸出仍然可調。當放電時間到最小值tP時，將達到滿負載。
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