與白熾光源相比，發(fā)光二極管 (LED) 具有許多優(yōu)勢(shì)，因此在所有適合使用 LED 的條件下，它們不可避免地會(huì)迅速開始主導(dǎo)照明技術(shù)。主要優(yōu)點(diǎn)是功耗更低、壽命更長，以及更穩(wěn)健、更小、更快的開關(guān)。缺點(diǎn)是需要支持電子電路以提供穩(wěn)壓直流電源，這會(huì)增加復(fù)雜性和組件。雖然白熾燈可以從任何東西產(chǎn)生光——交流或直流，電壓從很低到很高，對(duì)尖峰和波動(dòng)有很大的容忍度——但 LED 需要一個(gè)穩(wěn)定的、穩(wěn)壓的、低壓直流電流源和最佳電流水平。LED 驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)電流調(diào)節(jié)器，

根據(jù)可用的電源，需要 AC/DC 轉(zhuǎn)換器或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器——通常是某種形式的開關(guān)模式電源。開關(guān)電源作為一種高頻開關(guān)器件，本質(zhì)上是一個(gè)重要的潛在不穩(wěn)定源。對(duì)于 LED 驅(qū)動(dòng)器而言，穩(wěn)定性尤為重要，因?yàn)槿魏尾恍枰碾娏鞑▌?dòng)都會(huì)在 LED 產(chǎn)生的光中出現(xiàn)不需要的波動(dòng)時(shí)迅速顯現(xiàn)。因此，測(cè)試開關(guān)電源的穩(wěn)定性是 LED 驅(qū)動(dòng)器開發(fā)中的一項(xiàng)基本任務(wù)。因此，選擇合適的測(cè)試方法很重要。

許多電子設(shè)備將使用 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器下變頻到所需的電源電壓，根據(jù)參考電壓調(diào)節(jié)輸出電壓。示波器是電路開發(fā)和調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)工具;如果示波器僅限于時(shí)域測(cè)量，則嘗試測(cè)量轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性的一種方法是針對(duì)時(shí)間測(cè)試負(fù)載階躍響應(yīng)。設(shè)置有問題：為了準(zhǔn)確測(cè)試，步驟的上升和下降時(shí)間需要非常快，并且負(fù)載生成器必須相應(yīng)地快速切換。即使負(fù)載生成器本身的性能足以完成任務(wù)，負(fù)載生成器的輸入也需要非常接近轉(zhuǎn)換器的輸出，以防止在軌中產(chǎn)生寄生效應(yīng);在很多情況下，電路布局的限制將使得在物理上不可能足夠接近地輸入負(fù)載。原則上，降壓轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)精確的參考電壓來維持恒定的輸出電壓，因?yàn)殡娏麟S著負(fù)載的變化而上升和下降(見 圖 1)。雖然調(diào)節(jié)環(huán)路提供從輸出電流到參考源的反饋，但調(diào)節(jié)程度有其限制。

圖 1：具有標(biāo)稱 1.2V 電位差的 DC 軌負(fù)載階躍響應(yīng)的電流(左)和電壓(右)。盡管有反饋回路，但電壓會(huì)隨著負(fù)載的增加和減少而下降并達(dá)到峰值;這些電壓變化是不可避免的。

事實(shí)上，除了難以測(cè)量負(fù)載階躍響應(yīng)之外，還有一個(gè)更根本的問題。測(cè)量的目的是研究轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性;負(fù)載階躍測(cè)試的結(jié)果不提供有關(guān)可用裕量的任何信息。但是，必須知道裕量的大小才能評(píng)估穩(wěn)定性。

幸運(yùn)的是，存在另一種穩(wěn)定性測(cè)試方法，并將在頻域中執(zhí)行。對(duì)于有意義的閉環(huán)測(cè)量，需要具有頻域功能的示波器。為了使閉環(huán)測(cè)量成為可能，必須將誤差信號(hào)(誤差電壓)添加到回路中以表示輸入電壓。只要加入的注入電阻很小，與反饋回路的輸入阻抗相比，其對(duì)電壓的影響就可以忽略不計(jì)。

必須仔細(xì)選擇注入點(diǎn)，因?yàn)樗粦?yīng)影響直流工作點(diǎn)。輸出探頭需要低阻抗路徑，輸入探頭需要高阻抗路徑。示波器的頻率響應(yīng)分析儀測(cè)量兩個(gè)電壓并計(jì)算增益和相位的電壓比，無需使用昂貴的差分探頭。

為進(jìn)行測(cè)量，示波器波形發(fā)生器以增加的頻率掃描正弦波形。波形通過注入變壓器輸出，在反饋回路中加入注入電阻引起誤差電壓( 見圖2)。

圖 2：注入電阻器 R injection 提供誤差電壓源。

波特圖( 見圖 3) 是研究開關(guān)模式電源的控制回路響應(yīng)的首選分析工具，同時(shí)顯示以分貝為單位的增益和以度為單位的相移，適用于一系列測(cè)試頻率。波德圖提供有關(guān)環(huán)路性能(調(diào)節(jié)速度)以及系統(tǒng)與不穩(wěn)定性的接近程度的信息。使用波特圖來分析頻率響應(yīng)。通過將增益跨越 0-dB 閾值的頻率與相位進(jìn)行比較，相位裕度顯示在系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定行為之前還剩下多少相位裕度。相位裕度在相位圖中的交叉頻率處確定。

圖 3：波特圖。環(huán)路的帶寬是多少?(這是由交叉頻率決定的。)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，則會(huì)測(cè)量回路的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)，并計(jì)算每個(gè)頻率的電源增益和相位，并將其作為波德圖顯示在示波器屏幕上(參見 圖 4)。

圖 4：R&S RTA4004 示波器上的波特圖顯示，藍(lán)色顯示增益，橙色顯示相位。標(biāo)記 1 處于交叉頻率。

如圖 4所示的初始結(jié)果 似乎顯示出極好的穩(wěn)定性。在接近 1 kHz 的交叉頻率處(標(biāo)記顯示在 1.05 kHz 處的增益為 –0.04 dB)，相位裕度為 86.3。–32 dB 的增益裕度在相位圖中確定，如標(biāo)記 2 所示;相位和增益完全在經(jīng)驗(yàn)法則之內(nèi)。但是，缺少一條經(jīng)驗(yàn)法則：交叉頻率應(yīng)約為轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的 5% 至 10%。由于轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為 350 kHz，因此交叉頻率應(yīng)在 17.5–35 kHz 范圍內(nèi)，但為 1 kHz。出了什么問題?

對(duì)設(shè)置的仔細(xì)檢查表明，探測(cè)點(diǎn)沒有被很好地選擇( 見圖 5)。不僅要測(cè)量轉(zhuǎn)換器環(huán)路響應(yīng)，還要測(cè)量 LED 的影響，這會(huì)將器件的滿負(fù)載添加到電路中。

圖 5：連接 A 點(diǎn)的輸入(參考)探頭和 B 點(diǎn)的輸出(感測(cè))探頭包括反饋電路、功率級(jí)和來自 LED 的負(fù)載。

取而代之的是，重新定位輸出(感測(cè))探頭以在回路中包含轉(zhuǎn)換器但不包含 LED 負(fù)載，如圖 6所示 。

圖 6：使用 A 點(diǎn)的輸入(參考)探頭和 B 點(diǎn)的輸出(感測(cè))探頭，只采集來自反饋回路(包括轉(zhuǎn)換器)的信號(hào)。仍然滿足輸入阻抗大于輸出阻抗的關(guān)鍵要求。

圖 7：相同的電路，現(xiàn)在在沒有 LED 負(fù)載的情況下進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果不再那么出色而是現(xiàn)實(shí);相位裕度 = 38.4?，增益裕度 = –6.6 dB，交叉頻率 = 14 kHz，滿足所有經(jīng)驗(yàn)法則。

正如 圖7 所示，只有轉(zhuǎn)換器電路和點(diǎn)A和B之間的補(bǔ)償器，測(cè)量在探測(cè)點(diǎn)確保了變化。這個(gè)轉(zhuǎn)換器有多穩(wěn)定?環(huán)路變得不穩(wěn)定之前的相位裕度為 38.4°。在電源無法提供更多增益之前，增益裕度為 –6.6 dB，14 kHz 的交叉頻率小于工作頻率的 10%。這些值是否可接受取決于電源所針對(duì)的 LED 設(shè)備的要求。

為確保測(cè)量的有效性，只有通過仔細(xì)選擇探測(cè)點(diǎn)將 LED 負(fù)載排除在測(cè)量之外，才有可能使用電壓源轉(zhuǎn)換器規(guī)則測(cè)試開關(guān)模式電源的穩(wěn)定性。LED 燈串可以隱藏潛在的電源穩(wěn)定性問題。最后但并非最不重要的是，LED 是一種非線性設(shè)備，負(fù)載會(huì)發(fā)生變化，例如使用 PWM 調(diào)光方法時(shí)。必須在不同的輸出電流下重復(fù)測(cè)量。

　　審核編輯：湯梓紅