开环控制和闭环电流控制LED射灯方案的优缺点分析

1 引言

针对LED照明负载特点，目前非隔离式的恒流驱动电源的拓扑结构基本上是BUCK降压结构，传统的方案是通过固定关断时间来固定峰值电流，从而达到固定输出电流的控制策略。本文将讨论这种控制策略实现恒流的原理，分析这种开环控制策略的优缺点，和应用这种控制策略需要做的外围补偿，同时基于占空比半导体公司新产品DU2401芯片，介绍这种全新的闭环电流控制策略，详细介绍这种控制策略如何突破性提高LED输出电流精度，从开环到闭环是其本质的突破。

2 原理与设计

2.1 目前LED非隔离恒流驱动电流领域主流的控制策略

如图1所示，电路是BUCK降压结构，芯片控制的是MOSFET的源极，这是一种开环的恒流电流控制方式，控制原理如下：

芯片内部有两个比较器，其比较参考电平分别为Vpk和Vvalley，与之比较的是Rs两端的电压。

Vin上电时，电感L和电流采样电阻Rs的初始电流为零，LED输出电流也为零。这时候，CS比较器的输出为高，内部功率开关导通，SW的电位为低。电流通过电感L、电流采样电阻Rs、LED和内部功率开关从Vin流到地，电流上升的斜率由Vin、电感L和LED压降决定，在Rs上产生一个压差Vcs， 当(Vin-Vcs) >Vpk时，CS比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过电感L、电流采样电阻Rs、LED和肖特基二极管D，当Vin-Vcs < Vvalley时，功率开关重新打开，这样使得在LED上的平均电流为：Io=1/(2*Rs)*(Vpk+Vvalley)

所以，这种开环的控制策略是，根据两个比较电平参考电位Vpk和Vvalley，来设定电感电流的峰峰值，从而起到了设定输出平均电流值的效果。

这是一种简单有效的控制策略，但是由于这是一种开环控制模式，只能检测电感上的峰值电流，无法检测输出电流，外部条件发生变化时，两个比较器都会产生延时，输出电流精度在三种情况下容易出现偏差：

1、当输出电压发生变化时（如：不同的LED Vf和不同串数）

2、当主电感感量发生变化时（如：实际上量产的精度不高）

3、当输入电压发生变化时。

2.2 DU2401 如何实现真正全闭环的恒流控制

所谓的闭环，即真正检测输出电流值，以此为标准来发出PWM信号。所谓开环，不以检测到的输出电流值来做发出PWM信号的参考。从电路拓扑上，二者没有区别。但是在芯片内部对检测到的如图2 CS脚电感电流信号，做专利技术处理，如图3 TRUEC2部分。这样，就检测到了电感电流的平均值，也就是输出电流的平均值。芯片针对检测到的值，控制输出占空比，实现了闭环控制。

另外，图1 Rs电阻串联在Vin和LED负载之间，这意味着不论芯片内部开关管开通和关断，Rs都将通过电流。图2的全闭环LED射灯驱动电源中，Rs只在开关管开通的时候，有电流通过，这也是全闭环控制带来的好处。这样会带来一个非常显著的性能提高，因为Rs电阻的能耗减少，会提高整个系统的效率。DU2401达到了业内最高的98%的效率，正是基于这种全闭环控制策略。

3 实验验证

我们选择了一个典型LED射灯应用来做IC功能验证，基本电参数要求如下：

输入电压范围：12.5~30VDC 效率：>90%

输出电压范围：3~10.5VDC 输出电流：700mA

对于输入电压、负载LED变化情况下，我们测试得到如下交叉调整率结果：

图5可以看到，由于闭环控制，在设计的正常工作范围内，输出电流维持定值，单颗系统可以认为是恒定的输出电流，即线性、负载调整率理论值是0。量产时，由于参数一致性分布，大量数据表明，恒流精度小于±0.9%.

对于输出电感变化，我们测试到如下结果：

图6反映的是电感大范围变化(设计标称值68uH)时，输出电流的变化，如左图。如果这种测试用于目前市场上开环系统芯片，电流会出现线性的大范围波动，如右图。而DU2401 闭环的方式，使得输出电流依然保持±0.9%以内的恒流精度。充分说明了闭环系统对于整个系统恒流精度提高的重要性。

基于图4的极简线路，如图9、图10显示，此方案可以在非常小的尺寸下实现3W的输出功率。这样的小尺寸，对于空间狭小，要求很高的射灯，有实际的意义。高功率密度是LED 灯具对 LED 驱动电源提出的要求，更优的控制方式是实现更高的功率密度的根本途径。

由图11可以看到基于TRUECC专利技术的高性能LED射灯方案成本只有1.45元，成本上优势很大。

4 结论

全闭环控制，检测输出电流，来发出PWM信号，是真正的恒流电源驱动控制技术。实验表明，相对于其他非闭环的方案，这种独有的闭环恒流控制技术使输出电流精度有了质的飞跃，使整机电源在全电压、全负载、电感变化范围内的电流精度达到行业内目前最高的±0.9% 
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