采用Buck變換器的LED驅動器反饋環路設計及測試

目前，基于降壓型Buck變換器的LED驅動器廣泛應用于通用的照明系統，如一些樓宇和草地的照明，通常使用交流適配器從110V/220V交流市電得到12V/24的直流電壓，然后12V/24輸出接一個Buck變換器，用于驅動LED；在汽車系統中，也是用12V/24V的直流電池供電，所以汽車內部和車燈采用LED作光源時，也是需要BUCK型LED驅動器。Buck降壓型LED驅動器可以輸出大的電流，同時電源的效率比升壓驅動器高，但是Buck降壓型LED驅動器所驅動的LED的數目取決于LED的正向壓降和輸入的電壓。

Buck降壓型LED驅動器和通用BUCK降壓型變換器的設計相同，但對于反饋環路的增益裕量和相位裕量的測試，卻和通常的Buck降壓型變換器有很大的不同，這是由于LED驅動器的特性決定的，本文將會討論這個有趣的問題。

議題內容：

• 基于Buck變換器的LED驅動器與常規的Buck變換器的設計差異
• AOZ0181反饋環路的設計過程
• 不能直接測量Buck型LED驅動器增益裕量和相位裕量的原因

解決方案：

• 采樣低驅動電壓來降低LED功耗，提高效率
• 輸出電壓由串聯的LED的正向壓降確定
• 在FB管腳加電壓跟隨器

1. Buck降壓型LED驅動器特點

Buck降壓型LED驅動器和通用Buck降壓型變換器最大的不同在于參考電壓的差異。通用Buck降壓型變換器的參考電壓通常是0.8V，1.25V等，用于設定輸出的電壓，輸出電流變化時，輸出電壓保持恒定，輸出的負載和輸出電容并聯，如圖1 所示。Buck降壓型LED驅動器的參考電壓通常是0.25V，0.2V，0.1V，用于設定LED的驅動電流，并保持LED的電流恒定。由于設定LED的驅動電流的取樣電阻和LED串聯，因此參考電壓越低，取樣電阻的功耗就越小。如果參考電壓過低，由于電流信號的取樣信號太小，容易受外干擾，影響取樣的精度；此外，同樣的電流所要求的取樣電阻值太小，也不容易選購。

在Buck降壓型LED驅動器中，LED電流設定電阻有低端和高端電流取樣兩種方式，如圖1 所示。低端電流取樣直接對地檢測電流，設計簡單，但容易受到共模的干擾，取樣精度差。高端電流取樣不容易受到共模的干擾，取樣精度高，但需要差動放大器。

2. AOZ1081工作特點

本文將基于AOZ1081來介紹反饋環的設計，因此先介紹一下AOZ1081的工作特點。AOZ1081是一款降壓型Buck變換器，工作于電流模式，其特點可以讓它配置成LED驅動器，同時也可以作為通用Buck變換器使用。其特點如下：

（1）內置了低端的續流二極管，因此無需外加肖特基二極管；
（2）具有內部的軟起動，因此無需外加軟起動電容；
（3）0.25V的參考電壓，保證電流取樣精度同時降低電流設定電阻的功耗；
（4）輸入工作電壓為4.5V到16V，具有Power On Reset POR功能，輸入電壓到4V時開始工作，輸入電壓低于3.7V，關斷；
（5）具有連續的1.8A最大的輸出電流；
（6）占空比從12%到100%，輸入輸出壓差低時可以工作于LDO方式；
（7）1MHz的工作頻率，可以使用小體積的電感和電容；

（9）具有過流保護OCP和輸出過壓保護OVP；
（10）芯片具有過溫保護OTP功能。
3. 反饋設計

BUCK降壓型LED驅動器仍然工作于峰值電流模式，其外環是取樣LED的電流，反饋環路維持LED電流恒定，這樣，輸出的電壓就由串聯的LED的正向壓降來決定。

和通用的峰值電流模式一樣，LED驅動器功率級由一個零點和一個極點組成：

其中：CO為輸出電容，ESR為輸出電容等效串聯電阻，RL為等效負載電阻。

如果采用RC串聯網絡RC和CC連接在AOZ1081的COMP管腳和地之間，相當于增加一個零點和一個極點的補償：

其中：GEA是誤差放大器的跨導，對于AOZ1081，為200?10-6A/V， GVEA為誤差放大器的增益，500V/V。

系統的穿越頻率fC決定系統的帶寬，帶寬越大，系統的響應越快，但容易受到高頻的干擾。通用帶寬設為開關頻率的1/10，對于AOZ1081，開關頻率為1M左右，因此穿越頻率可選取小于75K。所以，反饋網絡可以用下式計算：

其中：VFB是參考電壓，對于AOZ1081，為0.25V ，GCS為電流檢測電路的跨導，對于AOZ1081，為5.64A/V。

RC和CC形成的零點通常放大主極點fP1附近，但要低于1/5的穿越頻率，所以：

4. BUCK降壓型LED驅動器反饋測量

對于通用BUCK降壓型變換器，可以直接在反饋分壓電阻器上部電阻中，直接串接一個100歐姆的電阻R，由R注入測試信號，測量增益裕量和相位裕量，用于決定的系統的穩定程度，如圖2所示。注意到，相對于輸出的負載電阻，此回路相當于一個高阻抗回路，因此不影響系統的正常工作。

但是對于LED驅動電路，不能直接將100歐姆的信號注入電阻串聯在LED的回路中，因此，LED回路是恒流工作，串入電阻后，就改變了的輸出的電壓和輸出功率，系統不是正常的工作狀態。

這樣，就必須引入一種隔離的電路，使注入的信號不影響電源系統的正常工作。通常，電壓跟隨器具有阻抗變化，也就是其輸入相當于開路，輸出相當于短路，同時，時還具有緩沖的作用，也就是在信號源和負載之間緩沖，將輸入信號無損耗的輸出。因此，可以使用圖3的電路測量LED驅動器的環路穩定性。