法雷奥介绍如何利用多相降压转换器增强像素化汽车前照明

作者：法雷奥Sebastian Krick

当像法雷奥的 PictureBeam Monolithic这样的替代技术可以非常精确地控制投射的光强时，汽车前照灯可以灵活自动调整光强，突出显示道路标志和其他物体，从而以引起驾驶员的注意。每个像素都可以单独管理，以相应地调整光通量。此类技术面临的一个重大挑战涉及 LED 的精确控制和供电。

转换器拓扑：从 LED 灯串驱动到像素化LED

在用于汽车前照灯的最新 LED 驱动器中，通常会有电流高达 1.5 A 的降压转换器来驱动单个 LED 灯串。降压转换器作用于单个 LED 串的电流源（图 1）。有几种针对不同照明功能的降压转换器。

降压转换器的作用类似于单个 LED 串的电流源

由于 LED 灯串电压通常超过电池电压 Vin，因此您需要上游升压电路。您会在所有前照灯 LED 驱动器中发现这种拓扑结构，因为它们在 LED 数量和 LED 电流控制方面具有最高的灵活性。升压电压通常在 45 V 左右，可以为多达 10 个降压转换器供电。

用于像素化 LED 的多相降压

对于像素化 LED，您现在需要一个降压转换器作为电压源，其输出电压略高于单个 LED 的正向电压。每个 LED 都有自己的电流控制。但是，降压转换器的电流要高得多——当您需要数千个并联 LED时，可能达到 10 A 或更高的范围内（图 2）。

2. 像素化前照灯解决方案，采用降压转换器作为电压源，为数千个 LED（像素）提供总电流大于 10 A 的电源。

为了解决大电流，一种可能的解决方案是使用多个降压相位，而不是单个线圈的降压转换器（图 3）。

3. 具有受控输出电压的单相降压转换器。

因此，我们可以受益于小线圈的成本优势，并保留 SMD 的回流工艺，而不是像大功率线圈这样的“引脚通孔”元件的选择性焊接。

多相可以降低纹波（电流和电压），因此降低了输入滤波器中的 RMS 电流。降压相位的数量可以调整以适应应用所需的功率，并允许更好的散热至PCB。转换器 IC 具有集成开关、反馈和保护功能，可用于多相系统。

在这种情况下，一个 IC 是主机 (MS)（图 4）。它通过控制电压VC来确保闭环并控制从机（SL），控制电压VC设置线圈电流的峰值电流。因此，主机将为每个相位设置相同的峰值电流。在实际实现中，相位随着时间推移而移动，以避免同时切换所有相位。

4、多相降压，一主一从控制输出电压。

小信号模型的稳定性

必须研究所有类型的闭环系统的稳定性，关于如何使用降压转换器的小信号模型来做到这一点的文献很多。

另一种方法是使用强大的工具，如 SIMPLIS。它允许您获得交流仿真，而无需创建转换器的小型电路模型。我们几乎可以按原样绘制原理图并启动交流仿真，最终获得功率级 (PS) 传递函数的波特图。

但是，与小信号模型不同，很难理解极点和零点的来源。许多出版物讨论了不同的小信号模型，但只讨论了单相版本。本文通过将现有的小信号模型扩展到多相处理情况。

在我们的开关周期为 TS 的固定频率电流模式控制案例中，Raymond B. Ridley1 开发了控制到输出函数，它显示了控制电压 vCS 和输出电压 vO 之间的关系：

图 5 是 Ps 及其电感器、负载和电容器的图形表示。 PS 包括用于电流控制的电流检测增益 Ri、外部斜率 Se 的斜率补偿和自然斜率 Sn。

5. 降压转换器及其功率级、电感器、输出电容器和负载。

这里，mc 定义为 mc = 1 + (Se/Se) 和 D' = 1 – D，其中 D 为转换器的占空比。

功率级还包含由 He(s) 建模的“采样”，这是由于转换器以开关频率 fs 对电感电流进行“采样”而产生的。

因此，传递函数包括：

第一部分，即直流增益。

第二部分 Fp(s) 包含给定输出负载和电容器的功率级。

第三部分 模拟采样 He(s)。

我们现在添加第二个相同的阶段来分析对系统的影响（图 6）。负载和输出电容保持不变。如果我们想要相同的输出电压，这也意味着控制电压必须不同。它被命名为Vcn。

6、两相降压转换器；输出电容和负载不变。

转换器的每一相现在提供一半的输出电流。即使两个功率级都与图 5 相同，但它们的小信号模型却不同，因为每个功率级只能看到一半的输出电流。这就是为什么它们被标记为 PS 的原因。

图 6 可以通过在不改变转换器每一相的任何内容的情况下拆分负载来绘制。在输出电压 Vo下，每个相位仍提供一半的输出电流（图 7）。

7、两相降压转换器；输出电容和负载分开。

我们现在可以应用 Ridley 的控制到输出功能，将相位从 2 扩展到 n 并用 nR 替换 R，用 C/n 替换 C，用 nRC 替换 RC。

静态增益被修改为 R 替换为 nR，因此：

传递函数 Fp(s) 受到影响；即使分子中的 n 被抵消，极点 ωp 也会受到影响：

Hp(s) 不受影响——它仅取决于开关频率。

因此，我们现在推导出了并行 n 相时的新控制到输出函数：

使用 SIMPLIS 检查

我们可以通过将控制到输出的传递函数与 SIMPLIS 模型进行比较并扫描一些参数来做一些检查，例如输出电流 Io。

我们从 1 A 扫描到 10 A，这意味着我们改变了传递函数中的 R。正如预期的那样，这会影响直流增益和 FP(s) 的极点（图 8）。直流增益从 27 dB 下降到 14 dB，极点从 800 Hz 移动到 3.3 kHz。显然，小信号和 SIMPLIS 传递函数完美匹配高达一半的开关频率。

图 8. 用于 1A（蓝色）和 10A（红色）输出电流的四相降压转换器的波特图。 SIMPLIS 和小信号仿真完全匹配，直到 250 kHz（开关频率的一半）。

事实上，对于高于开关频率一半的频率，两个模型不再匹配，这是由于 He(s) 对采样效应的简化建模。正如 Ridley 的书中所详述的，这是降低模型复杂性的有意识的选择。

我们可以通过更改另一个参数来重复此检查：将输出上限 (CO) 的数量增加三倍。从传递函数中，我们可以推断出直流增益不会受到影响，只有 Fp(s) 的极点会改变。图 9 中的图像证实了这一点。极点从大约 2 kHz 移动到 600 Hz。我们可以看到小信号和 SIMPLIS 传递函数完美匹配，直到开关频率的一半。

图 9. 四相降压转换器的波特图，标称输出电容数量（蓝色）和三倍输出电容数量（红色）。

结论

通过改变一些参数，我们证明了 SIMPLIS 模型和小信号给出了完全相同的结果，验证了源自 Raymond B. Ridley 的单相模型的多相模型。 因此，我们可以使用多相小信号模型在设计阶段更好地了解转换器，因为我们知道每个系统参数将如何影响传递函数。