固定导通时间I2控制Buck LED驱动器研究

张留洋

摘要：I²控制Buck LED驱动器的稳定性受输出电容等效串联电阻（ESR）的影响较大，当ESR较小时，驱动器将处于不稳定的状态下。为了消除ESR对I²控制Buck LED驱动器稳定性的影响，提出固定导通时间I²控制Buck LED驱动器。详细分析了固定导通时间I²控制Buck LED驱动器的工作原理，并与I²控制Buck LED驱动器进行对比分析。研究结果表明：本文提出的固定导通时间I²控制Buck LED驱动器不受输出电容ESR的影响。最后，通过时域仿真验证了分析的正确性。

关键词：LED驱动器；固定导通时间控制；稳定性；瞬态响应

Research on Constant On-time I² Controlled Buck LED Constant Current Driver

ZHANG Liuyang

（Key Laboratory of Electronic Information of State Ethnic Affairs Commission,

College of Electrical Engineering, Southwest Minzu University, Chengdu 610041, Sichuan, China）

Abstract: The stability of I² controlled Buck LED driver is greatly affected by the equivalent series resistance (ESR) of the output capacitor. When the ESR is small, the driver will be in an unstable state. In order to eliminate the influence of ESR on the stability of the I² controlled Buck LED driver, a constant on-time I² controlled Buck LED driver is proposed. The working principle of the constant on-time I² controlled Buck LED driver is analyzed in detail, and compared with the I² controlled Buck LED driver. The research results show that: the constant on-time I² controlled Buck LED driver is proposed in this paper without being affected by the ESR of the output capacitor. Finally, the correctness of the analysis is verified by time-domain simulation.

keywords：LED driver; constant on-time controlled; stability; transient response

1. 引言

LED (Light Emitting Diode)凭借着体积小、节能环保等优点，广泛应用在通用照明、电子设备等领域^[1-2]。I²控制技术采用输出电流作为内环控制信号时，驱动器的稳定性会受到输出电容等效串联电阻（Equivalent Resistance, ESR）的影响，如果ESR过小会造成驱动器工作在不稳定的状态，但是增大ESR又会增大输出电流的纹波^[3-4]。

针对I²控制Buck LED驱动器存在的问题，提出了固定导通时间I²控制Buck LED驱动器，分析了固定导通时间I²控制Buck LED驱动器的工作原理，并与I²控制Buck LED驱动器的稳定性做了对比分析。研究结果表明：本文提出的固定导通时间I²控制Buck LED驱动器在不考虑ESR的情况下，驱动器可以工作在稳定状态。

2. 固定导通时间控制 Buck LED驱动器工作原理

图1(a)、(b)分别为固定导通时间I²控制Buck LED驱动器的原理图和稳态工作波形图。如图1(a)所示，主电路与I²控制Buck LED驱动器相同；固定导通时间I²控制电路包括：输出电流采样电阻r_s、运放AM、补偿器PI，比较器CM、RS触发器TM及固定导通定时器。

如图1(b)可知，当驱动器输出电流采样信号r_si_o下降到i_ref时，比较器输出高电平，使触发器置位并输出高电平，开关管S导通，输出电流上升；开关管S在导通固定时间T_on后，导通定时器输出一个窄脉冲使触发器复位，开关管S断开，输出电流下降；当输出电流采样信号r_si_o再次下降到i_ref时，S再次导通，进入一个新的开关周期。

图1 固定导通时间I²控制Buck LED驱动器原理图及稳态工作波形

3. 固定导通时间I²控制Buck LED驱动器稳定性分析

采用PSIM软件搭建了固定导通时间I²控制Buck LED驱动器，通过仿真分析其稳定性。电路参数如表1所示。

表1 I² Buck LED驱动器电路参数

参 数	数 值
输入电压vin/V	10
等效电阻R/Ω	1.25
LED额定输出电流io/A	0.6
LED等效电压源vLED/V 电容C /μF	2.7 100
电感L/μH	100
开关周期T/μs	20
采样电阻rs/Ω	1

由图2(a)、(b)可知，当ESR=10mΩ时，I²控制Buck LED驱动器的输出电流处于振荡状态，此时驱动器处于不稳定的工作状态；当ESR=100mΩ时，I²控制Buck LED驱动器的输出电流成周期性变化，此时驱动器处于稳定工作状态。

图2 不同ESR取值下I²控制Buck LED驱动器稳态仿真波形

图3 固定导通时间I²控制Buck LED驱动器稳态仿真波形

由图3仿真波形可知，在不考虑输出电容ESR的情况下，固定导通时间I²控制Buck LED驱动器仍能工作在稳定状态。因此，固定导通时间I²控制技术消除了ESR对驱动器稳定性的影响。

4. 结论

针对I²控制Buck LED驱动器稳定性受ESR影响的问题，基于此，提出固定导通时间I²控制Buck LED驱动器。阐述了固定导通时间I²控制Buck LED驱动器的工作原理，通过仿真对比分析，固定导通时间I²控制技术有效消除了ESR对驱动器稳定性的影响。最后仿真结果验证了分析的正确性。

参考文献

1. Zhang Yimeng, Rong Guangjian, Qu Shasha, et al. A high-power driver based on single inductor-multiple output DC-DC converter with high dimming frequency and wide dimming range[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(8): 8501-8511.

2. 汪飞, 钟元旭, 阮毅. AC-DC LED驱动电源消除电解电容技术综述[J]. 电工技术学报, 2015,30(8): 176-185.

3. 周群, 游志昆, 刘雪山, 等. I²控制Buck变换器稳定性的研究[J]. 电源学报, 2019, 17(2): 40-49.

4. 张希, 沙金, 徐杨军, 等. 恒定导通时间电容电流控制Buck变换器研究[J]. 电工技术学报, 2015, 30(23): 18-23.