文 / 普微精密（班長）
本文選自電源網論壇— 關於LED驅動電源電路問題
周末放假，閒得無聊，於是跑去普微研究室，研究了下LED驅動電路問題。
對於LED照明的恆流應用，如果對隔離沒有要求，並且輸出電流不大的話，那麼Buck型結構應該是性價比最好的選擇。首先，同等的功率級別以及輸入輸出規格下，Buck型電路中開關管的電壓應力是最小的，實際承受的最大電壓即輸入直流母線電壓，因此500V耐壓的開關管即可滿足通用輸入範圍的要求。其次，Buck型電路的磁性器件也是結構最為簡單的，通常情況下只要一個繞組。當然還有很多其他的優點，希望大家能夠幫忙補充。
Buck型電路用於LED驅動我接觸最早的應該是HV9910，這是一個簡單的峰值電流模式PWM控制器，論壇曾有很多前輩討論它的是非。個人認為，這個IC算是過時了，為了保證較好的電流精度，對輸入輸出的變化範圍以及電感量的精度都有嚴格的要求。這次的帖子我打算以我接觸過的兩個用的比較多的IC來討論Buck型LED驅動電路，它們是晶豐明源的BP2822以及佔空比的DU8623。首先有必要聲明，這裡僅作為技術交流，不涉及廣告成分。
上圖我簡單畫了下幾種常見的Buck型結構。
第一種是高邊驅動NMOS的方式。這種Buck型電路是在低壓DCDC中見得最多的。他的優點是輸入輸出是共地的，並且公共端是系統電位最低點。在高壓Buck中，我們很少見到這種方式，原因在於高邊NMOS需要自舉升壓浮動驅動，高壓的驅動電路太佔晶片的面積了。所以可以想像，為什麼一片高低邊驅動器價格動輒好幾塊錢。
第二種是高邊驅動PMOS，這種結構的優點和第一種相同，也不需要自舉升壓驅動，但卻是比較少見，原因在於PMOS的多子為空穴，遷移率低，造成PMOS的性能較差，另外，這種驅動要以輸入為參考，同樣會比較複雜。
第三種是高壓Buck型LED驅動器中最為多見的，今天要說的兩個IC都是這種結構。它的優點很明顯：控制電路不需要承受高壓就能很好地完成對功率管的驅動，因此IC的成本可以做到很低。而在LED以外的應用中，我們幾乎不會這樣用，原因很簡單，這種結構的公共端是電源輸入正端，不符合我們的習慣。
說完上面這些，我們就來看看這些電路是如何來恆流的。首先，我們要搞清楚恆流的概念，恆的是負載的平均電流，對於Buck拓撲，也就是電感的平均電流。對於任何一種拓撲，一個開關周期內電感的電流都是先升到峰值，再降到谷值的，這個谷值可能大於0（連續模式），也可能等於0（斷續模式或者臨界模式）或者小於0（這種情況只會在同步整流的結構中出現）。如果是連續模式或者臨界模式，那麼電感的平均電流就等於峰值電流加上谷值電流除以2，即：
Io_avg=IL_avg=(IL_peak+IL_valley)/2
如果要恆流，只要將電感的峰值電流和谷值電流定死就行。如下圖，對於低邊Buck型結構，開關管開啟時，電流按照藍線方向流動，電感電流逐漸上升，如果檢測Rcs上的電壓達到一定值（即電感電流達到一定值）時開關管關斷，那麼峰值電流就定下來了。假設這個閾值為Vthh，那麼峰值電流大小為：
IL_peak=Vthh/Rcs
接下來的開關周期內，電感通過二極體D續流，如下圖所示。這就出現了一個問題，此時的電流不再流經開關管，控制電路無法知道電流下降到何種程度了。
怎麼辦？先看一下下面這個圖。用過臨界模式PWM控制IC的應該很快能夠看出來，這種結構可以實現在電感電流下降到0附近時重新打開開關管，也就是說，可以強迫電路工作在臨界工作模式。使用一個輔助繞組，開關管關斷期間，電感電流下降，輔助繞組感應產生一個正電壓，當電感電流下降為零時，感應電壓消失，觸發開關管重新開啟。D1這個二極體是用來阻斷開關管開啟時輔助繞組上的反壓的，實際上我們可能看不到這個二極體，因為可以在IC內部A2的反相輸入端反向並接一個二極體到地，效果一樣的。
這個電路使得電感電流波形非常接近上圖的臨界模式，也就實現了輸出的恆流：
Io_avg=IL_avg=(IL_peak+IL_valley)/2=IL_peak/2
這就是BP2822的工作模式。大家會問，為什麼BP2822的應用中沒有這個輔助繞組？確實沒有，這個繞組肯定讓電感的加工變得複雜，成本會略微上升。那麼它是如何檢測電感電流下降到零的呢。大家可以先想一下反激工作在斷續模式下，開關管漏極電壓在開啟前上一個周期內的波形是什麼樣的。沒錯，會出現振蕩。那Buck型的會不會也有這樣現象呢？會。
大家看下圖。假設電流在t時刻過零，則t-時刻有：
Vds=Vcoss=Vin
在t+時，電感電流為零，C遠大於Coss，C視為短路，則Coss與L構成串聯諧振迴路，諧振頻率為
初始振蕩幅度為Vin。用saber仿一下，確實如此。
有這個振蕩，那就好辦了，只要檢測這個振蕩一開始，我們就把開關管重新開啟，那麼久非常接近臨界工作模式了。甚至，我們可以檢測到這種振蕩到達谷值時將開關管開啟，那麼就是我們所說的準諧振（QR)了。但是仍然有問題。不涉及到IC的可能不知道，國內絕大多數集成功率管的IC都是將控制部分的裸片和一個外置的功率管裸片封裝到一起的，也就是單片封裝，而不是單片集成。那麼，功率管漏端和控制IC基本都是沒有連接關係的，那又如何取得這個振蕩信號呢？
這一點，還和驅動結構相關。為了減小IC功耗，BP2822這類IC都是採用源極驅動的方式。也就是說，晶片實際驅動的是一個低壓的功率管，另外一個高壓功率管用來承受耐壓，下圖可以說明這一結構。使用一個二極體和電容，就可以得到這個振蕩信號。但是，這個二極體和電容是需要承受高壓的，放在IC內部是不現實的，放在晶片外部，無疑增加了外圍的複雜度。
究竟是如何檢測的呢？再看下圖就知道了。下管的源漏寄生電容導致下管的漏端（即高壓管的源端）對地也會產生同樣波形的振蕩，這個振蕩是低壓的，檢測起來就方便了。
最後我們看一下這個系統該如何實現。下圖是我想出來的一種最簡單的方式，當然BP2822的內部不一定是這麼做的，但是估計也差不到哪裡去。兩個比較器，為了簡單起見，我接到了同一個參考電壓源上，一個用來檢測到峰值後觸發開關管關斷，一個用來檢測到振蕩後觸發開關管開啟。最後電感被迫工作在近似臨界模式下。所以輸出電流的近似計算就成了：
Io=Vref/2Rcs
對於BP2822，Vref=0.4V。最後的圖給出了相關的波形，大家可以自己對照。
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