即使在低輸入電壓下，同步升壓型轉(zhuǎn)換器也能為大電流LED供電

Synchronous Boost Converter Powers High Current LEDs Even at Low Input Voltages

即使在低輸入電壓下，同步升壓型轉(zhuǎn)換器也能為大電流LED供電

作者：Kyle Lawrence

高功率LED在現(xiàn)代照明系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)量不斷激增，涵蓋汽車前照燈、工業(yè)/商業(yè)標(biāo)識(shí)、建筑照明以及各種消費(fèi)電子等應(yīng)用。行業(yè)之所以轉(zhuǎn)向LED技術(shù)，是因?yàn)楣虘B(tài)照明與傳統(tǒng)光源相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)：電能轉(zhuǎn)換為光輸出不僅效率高，而且使用壽命長(zhǎng)。

隨著越來(lái)越多的應(yīng)用采用LED照明，為了提高光輸出，對(duì)LED更高電流的需求也日益增長(zhǎng)。驅(qū)動(dòng)大電流LED串的最大挑戰(zhàn)之一是在功率轉(zhuǎn)換器級(jí)保持高效率，從而提供穩(wěn)定調(diào)節(jié)的LED電流。功率轉(zhuǎn)換器效率不高體現(xiàn)為電流調(diào)節(jié)器電路的開(kāi)關(guān)元件引起的發(fā)熱現(xiàn)象。

LT3762是一款同步升壓型LED控制器，旨在減少高功率升壓型LED驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中常見(jiàn)的效率損耗源。該器件的同步運(yùn)行可最大限度地減少異步DC-DC轉(zhuǎn)換器中箝位二極管的正向壓降通常會(huì)產(chǎn)生的損耗。這一效率提升使LT3762能夠提供比類似異步升壓型LED驅(qū)動(dòng)器更高的輸出電流，特別是在低輸入電壓時(shí)。為了改善低輸入電壓時(shí)的工作性能，通過(guò)配置一個(gè)板載DC-DC穩(wěn)壓器，即使輸入電壓降至7.5 V以下，也能為柵極驅(qū)動(dòng)電路提供7.5 V的電壓。在低輸入電壓條件下提供強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)電壓源，使得MOSFET在輸入電壓降低時(shí)產(chǎn)生較少的熱量，從而使工作電壓輸入范圍最低達(dá)3 V。

圖1.LT3762演示電路(DC2342A)可在寬輸入電壓范圍內(nèi)以2 A（最高32 V）驅(qū)動(dòng)LED。

通過(guò)額外的MOSFET和電容可輕松修改該演示電路，以提高輸出功率。

該款升壓型LED控制器可配置為在100 kHz至1 MHz固定開(kāi)關(guān)頻率之間工作，提供?30% × fSW展頻調(diào)制選項(xiàng)，以降低與開(kāi)關(guān)相關(guān)的EMI能量峰值。LT3762可采用升壓、降壓或升壓/降壓拓?fù)潋?qū)動(dòng)LED。高端PMOS斷開(kāi)開(kāi)關(guān)有助于PWM調(diào)光，并在LED處于開(kāi)路/短路狀態(tài)時(shí)保護(hù)器件免受潛在損害。

LT3762采用內(nèi)部PWM發(fā)生器，利用單個(gè)電容和一個(gè)直流電壓來(lái)設(shè)置頻率和脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)250:1的PWM調(diào)光比，也可使用外部PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)高達(dá)3000:1的調(diào)光比。圖2中的原理圖顯示使用LT3762的演示電路應(yīng)用(DC2342A)，其中LT3762配置為在4 V至28 V的輸入電壓范圍內(nèi)以2 A（最高32 V）驅(qū)動(dòng)LED。LT3762同步升壓型LED控制器采用4 mm × 5 mm QFN封裝和28引腳TSSOP封裝。

同步開(kāi)關(guān)

在異步DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲校?a target="_blank">肖特基箝位二極管用作無(wú)源開(kāi)關(guān)，以簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換器對(duì)單個(gè)MOSFET進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制的控制方案。雖然這確實(shí)簡(jiǎn)化了控制，但它限制了輸出電流的大小。肖特基二極管與PN結(jié)器件一樣，在任何電流通過(guò)器件之前都會(huì)具有正向壓降。由于肖特基二極管的功耗是其正向壓降與電流的乘積，因此輸出電流水平過(guò)高將產(chǎn)生數(shù)瓦的導(dǎo)通功耗，從而使肖特基二極管升溫，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器效率降低。

LT3762同步開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器與異步轉(zhuǎn)換器不同，不會(huì)有輸出電流受限的情況，這是因?yàn)橥睫D(zhuǎn)換器采用第二MOSFET代替肖特基二極管。MOSFET與肖特基二極管不同，它沒(méi)有正向壓降。相反，當(dāng)MOSFET處于完全增強(qiáng)狀態(tài)時(shí)，其漏極到源極間的電阻非常小。在大電流下，MOSFET產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)低于肖特基二極管，因?yàn)楣呐c漏源電阻的平方和通過(guò)器件的電流的乘積成正比。即使在最低7 V的全功率輸入電壓下，MOSFET也只會(huì)面臨大約30°C的溫升（如圖3所示）。

低輸入電壓工作

高功率升壓型LED控制器的另一個(gè)挑戰(zhàn)發(fā)生在低輸入電壓工作期間。大多數(shù)升壓型DC-DC穩(wěn)壓器IC使用由器件輸入端供電的內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器，為IC中的模擬和數(shù)字控制電路提供較低的電壓電源。在從內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器獲取電源的電路中，柵極驅(qū)動(dòng)器消耗的功率最大，并且它的性能受LDO穩(wěn)壓器輸出波動(dòng)的影響。當(dāng)輸入電壓降至LDO的輸出電壓以下時(shí)，LDO輸出開(kāi)始驟降，這將限制柵極驅(qū)動(dòng)器正常增強(qiáng)MOSFET的能力。當(dāng)MOSFET處于未完全增強(qiáng)狀態(tài)時(shí)，它們工作于較高電阻狀態(tài)，因此當(dāng)電流通過(guò)器件時(shí)會(huì)以熱量形式耗散功率。

圖2.32 V、2 A LT3762升壓型LED驅(qū)動(dòng)器

圖3.在相同測(cè)試條件下，選用類似的元件，同步LT3762（左圖）驅(qū)動(dòng)2 A、32 V的LED串，

其溫升遠(yuǎn)低于異步LT3755-2電路（右圖）。這種熱性能的提高歸功于以同步MOSFET代替

肖特基箝位二極管，從而可消除二極管正向壓降引起的損耗。

升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲械牡洼斎腚妷汗ぷ魈匦詫?dǎo)致輸入電流較高，當(dāng)該電流必須流過(guò)電阻更大的MOSFET器件時(shí)，會(huì)加劇導(dǎo)通損耗。根據(jù)穩(wěn)壓器IC的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，這會(huì)嚴(yán)重限制器件可實(shí)現(xiàn)且不發(fā)生過(guò)熱的低輸入電壓范圍。

LT3762采用集成式降壓-升壓型DC-DC穩(wěn)壓器，而非LDO穩(wěn)壓器，即使輸入電壓很低時(shí)，也可為內(nèi)部電路提供7.5 V的電壓。該降壓-升壓型穩(wěn)壓器僅占用LT3762 IC的三個(gè)引腳，只需兩個(gè)額外元件。與具有4.5 V和6 V最小輸入電壓的內(nèi)部LDO控制器器件相比，LT3762能夠?qū)⑤斎腚妷汗ぷ鞣秶孪迶U(kuò)展至3 V。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器的7.5 V輸出可為柵極驅(qū)動(dòng)器提供電源，并允許使用6 V/7 V柵極驅(qū)動(dòng)MOSFET。MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓越高，往往漏源電阻就越低，并且與柵極驅(qū)動(dòng)電壓較低的類似器件相比，（除開(kāi)關(guān)損耗以外）工作效率更高。

圖4.32 V、2 A LT3762 LED驅(qū)動(dòng)器可在寬輸入范圍內(nèi)保持高效率。

低VIN折返有助于避免過(guò)大的開(kāi)關(guān)/電感電流。異步開(kāi)關(guān)以24 V輸入電壓?jiǎn)?dòng)。

靈活的拓?fù)?/p>

與ADI公司大多數(shù)其他升壓型LED驅(qū)動(dòng)器一樣，LT3762驅(qū)動(dòng)LED的模式可重新配置，既可采用升壓配置，也可采用降壓、升壓-降壓和降壓-升壓模式。在這些升壓型轉(zhuǎn)換器的拓?fù)渥凅w中，利用ADI公司獲得專利的升壓-降壓模式配置可作為升壓/降壓型轉(zhuǎn)換器工作，同時(shí)還具有低EMI工作的優(yōu)勢(shì)。該拓?fù)淅脙蓚€(gè)電感，一個(gè)面向輸入，另一個(gè)則面向輸出，幫助濾除開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的噪聲。這兩個(gè)電感有助于抑制耦合到輸入電源、可能連接的其他器件以及LED負(fù)載的EMI。

還可在升壓-降壓模式的拓?fù)渲刑砑宇~外電路，以提供LED–節(jié)點(diǎn)到GND的短路保護(hù)。圖5中的原理圖顯示LT3762采用升壓-降壓模式配置，并增加了該保護(hù)電路。當(dāng)LED–短路到GND時(shí)，會(huì)強(qiáng)制關(guān)閉M4，以阻斷經(jīng)過(guò)電感到輸入的導(dǎo)通路徑并防止過(guò)度消耗電流。強(qiáng)制關(guān)閉M4時(shí)，D3將EN/UVLO引腳拉至低電平，從而在消除短路前阻止轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)。將這一額外保護(hù)電路與LT3762的內(nèi)置開(kāi)路/短路檢測(cè)結(jié)合使用，就能獲得一個(gè)能夠應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境中各種故障狀況的強(qiáng)健解決方案。

結(jié)論

異步升壓型轉(zhuǎn)換器正常工作時(shí)，通常很難避免在提供高輸出電流時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生大量的功率損失并造成箝位二極管發(fā)熱。除了肖特基二極管產(chǎn)生的損耗之外，這些轉(zhuǎn)換器在輸入電壓降低時(shí)難以保持最大功率輸出能力，這限制了輸入范圍內(nèi)的功率輸出。異步DC-DC轉(zhuǎn)換器根本無(wú)法適用于更高功率水平，因此必須采用同步開(kāi)關(guān)方案以滿足應(yīng)用規(guī)格要求。LT3762升壓型LED控制器通過(guò)其同步開(kāi)關(guān)解決了提供大電流輸出的問(wèn)題，由于采用了板載DC-DC轉(zhuǎn)換器，它能夠在更低的輸入電壓下工作，并且可靈活采用各種電路拓?fù)洹?/p>

圖5.LT3762采用25 V、1.5 A升壓-降壓配置，帶有額外的LED–至GND的短路保護(hù)。