照亮LED驱动器的稳定性

与白炽光源相比，发光二极管 (LED) 具有许多优势，因此在所有适合使用 LED 的条件下，它们不可避免地会迅速开始主导照明技术。主要优点是功耗更低、寿命更长，以及更稳健、更小、更快的开关。缺点是需要支持电子电路以提供稳压直流电源，这会增加复杂性和组件。虽然白炽灯可以从任何东西产生光——交流或直流，电压从很低到很高，对尖峰和波动有很大的容忍度——但 LED 需要一个稳定的、稳压的、低压直流电流源和最佳电流水平。LED 驱动器是一个电流调节器，

根据可用的电源，需要 AC/DC 转换器或 DC/DC 转换器——通常是某种形式的开关模式电源。开关电源作为一种高频开关器件，本质上是一个重要的潜在不稳定源。对于 LED 驱动器而言，稳定性尤为重要，因为任何不需要的电流波动都会在 LED 产生的光中出现不需要的波动时迅速显现。因此，测试开关电源的稳定性是 LED 驱动器开发中的一项基本任务。因此，选择合适的测试方法很重要。

许多电子设备将使用 DC/DC 降压转换器下变频到所需的电源电压，根据参考电压调节输出电压。示波器是电路开发和调试的标准工具;如果示波器仅限于时域测量，则尝试测量转换器稳定性的一种方法是针对时间测试负载阶跃响应。设置有问题：为了准确测试，步骤的上升和下降时间需要非常快，并且负载生成器必须相应地快速切换。即使负载生成器本身的性能足以完成任务，负载生成器的输入也需要非常接近转换器的输出，以防止在轨中产生寄生效应;在很多情况下，电路布局的限制将使得在物理上不可能足够接近地输入负载。原则上，降压转换器需要一个精确的参考电压来维持恒定的输出电压，因为电流随着负载的变化而上升和下降(见 图 1)。虽然调节环路提供从输出电流到参考源的反馈，但调节程度有其限制。

图 1：具有标称 1.2V 电位差的 DC 轨负载阶跃响应的电流(左)和电压(右)。尽管有反馈回路，但电压会随着负载的增加和减少而下降并达到峰值;这些电压变化是不可避免的。

事实上，除了难以测量负载阶跃响应之外，还有一个更根本的问题。测量的目的是研究转换器的稳定性;负载阶跃测试的结果不提供有关可用裕量的任何信息。但是，必须知道裕量的大小才能评估稳定性。

幸运的是，存在另一种稳定性测试方法，并将在频域中执行。对于有意义的闭环测量，需要具有频域功能的示波器。为了使闭环测量成为可能，必须将误差信号(误差电压)添加到回路中以表示输入电压。只要加入的注入电阻很小，与反馈回路的输入阻抗相比，其对电压的影响就可以忽略不计。

必须仔细选择注入点，因为它不应影响直流工作点。输出探头需要低阻抗路径，输入探头需要高阻抗路径。示波器的频率响应分析仪测量两个电压并计算增益和相位的电压比，无需使用昂贵的差分探头。

为进行测量，示波器波形发生器以增加的频率扫描正弦波形。波形通过注入变压器输出，在反馈回路中加入注入电阻引起误差电压( 见图2)。

图 2：注入电阻器 R injecTIon 提供误差电压源。

波特图( 见图 3) 是研究开关模式电源的控制回路响应的首选分析工具，同时显示以分贝为单位的增益和以度为单位的相移，适用于一系列测试频率。波德图提供有关环路性能(调节速度)以及系统与不稳定性的接近程度的信息。使用波特图来分析频率响应。通过将增益跨越 0-dB 阈值的频率与相位进行比较，相位裕度显示在系统进入不稳定行为之前还剩下多少相位裕度。相位裕度在相位图中的交叉频率处确定。

图 3：波特图。环路的带宽是多少?(这是由交叉频率决定的。)相位裕度有多大?增益裕度有多大?

如果示波器具有必要的功能，则会测量回路的输出信号和输入信号，并计算每个频率的电源增益和相位，并将其作为波德图显示在示波器屏幕上(参见 图 4)。

图 4：R&S RTA4004 示波器上的波特图显示，蓝色显示增益，橙色显示相位。标记 1 处于交叉频率。

如图 4所示的初始结果 似乎显示出极好的稳定性。在接近 1 kHz 的交叉频率处(标记显示在 1.05 kHz 处的增益为 –0.04 dB)，相位裕度为 86.3。–32 dB 的增益裕度在相位图中确定，如标记 2 所示;相位和增益完全在经验法则之内。但是，缺少一条经验法则：交叉频率应约为转换器开关频率的 5% 至 10%。由于转换器的开关频率为 350 kHz，因此交叉频率应在 17.5–35 kHz 范围内，但为 1 kHz。出了什么问题?

对设置的仔细检查表明，探测点没有被很好地选择( 见图 5)。不仅要测量转换器环路响应，还要测量 LED 的影响，这会将器件的满负载添加到电路中。

图 5：连接 A 点的输入(参考)探头和 B 点的输出(感测)探头包括反馈电路、功率级和来自 LED 的负载。

取而代之的是，重新定位输出(感测)探头以在回路中包含转换器但不包含 LED 负载，如图 6所示 。

图 6：使用 A 点的输入(参考)探头和 B 点的输出(感测)探头，只采集来自反馈回路(包括转换器)的信号。仍然满足输入阻抗大于输出阻抗的关键要求。

图 7：相同的电路，现在在没有 LED 负载的情况下进行测量。结果不再那么出色而是现实;相位裕度 = 38.4˚，增益裕度 = –6.6 dB，交叉频率 = 14 kHz，满足所有经验法则。

正如 图7 所示，只有转换器电路和点A和B之间的补偿器，测量在探测点确保了变化。这个转换器有多稳定?环路变得不稳定之前的相位裕度为 38.4°。在电源无法提供更多增益之前，增益裕度为 –6.6 dB，14 kHz 的交叉频率小于工作频率的 10%。这些值是否可接受取决于电源所针对的 LED 设备的要求。

为确保测量的有效性，只有通过仔细选择探测点将 LED 负载排除在测量之外，才有可能使用电压源转换器规则测试开关模式电源的稳定性。LED 灯串可以隐藏潜在的电源稳定性问题。最后但并非最不重要的是，LED 是一种非线性设备，负载会发生变化，例如使用 PWM 调光方法时。必须在不同的输出电流下重复测量。

　　审核编辑：汤梓红