即使是一个单纯的无输出电容的滞后Buck调节器,也不能满足某些PWM调光系统的需要。这些应用需要高PWM调光频率和高对比度,这就分别需要快速信号转换率和短延迟时间。对于机器视觉和工业检验来说,系统实例需要很高的性能,包括LCD板的背光和投影仪。在某些应用中,PWM调光频率必须超过音频宽,达到25kHz或者更高。当总调光周期降低到微秒级时,LED电流总上升和下降时间(包括传输延迟),必须降低到纳秒级。
让我们来看看一个没有输出电容的快速Buck调节器。打开和关断输出电流的延迟来源于IC的传输延迟和输出电感的物理性质。对于真正的高速PWM调光,这两个问题都需要解决。最好的方法就是要用一个电源开关与LED链并联(图3)。要关掉LED,驱动电流要经过开关分流,这个开关就是一个典型的n-MOSFET。IC持续工作,电感电流持续流动。这个方法的主要缺点是当LED关闭的时候,电量被浪费掉了,甚至在这个过程中,输出电压下降到电流侦测电压。
图3:分流电路及其波形。
用一个分流FET调光会引起输出电压快速偏移,IC的控制环必须回应保持常电流的请求。就像逻辑针脚调光一样,控制环越快,回应越好,带有滞环控制的Buck调节器就会提供最好的回应。
用Boost和Buck-Boost的快速PWM
Boost调节器和任何Buck-Boost拓扑都不适合PWM调光。这是因为在持续传导模式中(CCM),每个调节器都展示了一个右半平面零,这就使它很难达到时钟调节器需要的高控制环带宽。右半平面零的时域效应也使它更难在Boost或者Buck-Boost电路中使用滞后控制。
另外,Boost调节器不允许输出电压下降到输入电压以下。这个条件需要一个输入端短电路并且使利用一个并联FET实现调光变得不可能。。在Buck-Boost拓扑中,并联FET调光仍然不可能或者不切实际,这是因为它需要一个输出电容(SEPIC,Buck-Boost和flyback),或者输出短电路(Cuk和zeta)中的未受控制得输入电感电流。当需要真正快速PWM调光的时候,最好的解决方案是一个二级系统,它利用一个Buck调节器作为第二LED驱动级。如果空间和成本不允许的时候,下一个最好的原则就是一个串联开关(图4)。
图4:带有串联DIM开关的Boost调节器。
LED电流可以被立即切断。另外,必须要特别考虑系统回应。这样一个开路事实上是一个快速外部退荷暂态,它断开了反馈环,引起了调节器输出电压的的上升。为了避免因为过压失败,我们需要输出钳制电路和/或误差放大器。这种钳制电路很难用外部电路实现,因此,串联FET调光只能用专用Boost/Buck-Boost LED驱动IC来实现。
总而言之,LED光源的单纯控制需要设计的初始阶段就要非常小心。光源越复杂,就越要用PWM调光。这就需要系统设计者谨慎思考LED驱动拓扑。Buck调节器为PWM调光提供了很多优势。如果调光频率必须很高或者信号转换率必须很快,或者二者都需要,那么Buck调节器就是最好的选择。