基于COFT控制的Buck LED驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介

隨著汽車(chē)電子行業(yè)的快速發(fā)展，具有寬輸入電壓范圍的高密度LED驅(qū)動(dòng)芯片，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)類(lèi)照明，包括車(chē)外前部和尾部照明、內(nèi)部照明和顯示屏背光照明。

LED驅(qū)動(dòng)芯片按照調(diào)光方式可以分為模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。模擬調(diào)光相對(duì)簡(jiǎn)單，PWM 調(diào)光相對(duì)復(fù)雜，但線性調(diào)光范圍比模擬調(diào)光更大。LED驅(qū)動(dòng)芯片作為一類(lèi)電源管理芯片，其拓?fù)渲饕蠦uck 和Boost。Buck電路的輸出電流連續(xù)使其輸出電流的紋波更小，要求的輸出電容更小，更有利于實(shí)現(xiàn)電路的高功率密度。

圖1 輸出電流 Boost vs Buck

LED驅(qū)動(dòng)芯片常見(jiàn)的控制模式有電流模式 (CM)，COFT(controlled OFF-time)模式， COFT&PCM(peak current mode)模式。TI經(jīng)典的LED驅(qū)動(dòng)LM3409，TPS92515就是采用COFT控制。相比于電流模式控制，COFT 控制模式不需要環(huán)路補(bǔ)償，有利于提高功率密度，同時(shí)具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

區(qū)別于其他控制模式，COFT控制模式的芯片具有單獨(dú)的COFF Pin 腳用于關(guān)斷時(shí)間的設(shè)置。本文基于典型的COFT控制的Buck LED驅(qū)動(dòng)芯片，介紹對(duì)COFF的外部電路的配置和注意事項(xiàng)。

COFF的基本配置及注意事項(xiàng)

COFT模式的控制原理是當(dāng)電感電流達(dá)到設(shè)置的關(guān)斷電流大小時(shí)，上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通。此時(shí)關(guān)斷時(shí)間恒定為tOFF。當(dāng)關(guān)斷時(shí)間達(dá)到tOFF后，上管再次導(dǎo)通。上管關(guān)閉后，其將保持恒定時(shí)間 (tOFF) 關(guān)閉。tOFF 由電路外圍的電容 (COFF) 和輸出電壓 (Vo) 來(lái)設(shè)定。如圖 2 所示。 由于 ILED 受到嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，在變化廣泛的輸入電壓和溫度下， Vo 將保持幾乎恒定，從而產(chǎn)生幾乎恒定的 tOFF，可以利用Vo 來(lái)計(jì)算tOFF。

圖2. 關(guān)斷時(shí)間控制電路和 tOFF計(jì)算公式

需要注意的是，當(dāng)選擇的調(diào)光方法或者調(diào)光電路要求輸出短路時(shí)，此時(shí)會(huì)發(fā)生電路無(wú)法正常啟動(dòng)的現(xiàn)象。此時(shí)電感電流紋波變大，輸出電壓變得非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定的電壓。當(dāng)這種故障發(fā)生時(shí)，電感電流將以最大的關(guān)斷時(shí)間工作。通常芯片內(nèi)部設(shè)置的最大關(guān)斷時(shí)間達(dá)到200us~300us。此時(shí)電感電流和輸出電壓貌似進(jìn)入了一種打嗝模式，無(wú)法正常輸出。圖3所示TPS92515-Q1 在負(fù)載采用分流電阻器的時(shí)候，電感電流和輸出電壓的異常波形。

圖4所示列舉了三種可能引起以上故障的電路。當(dāng)調(diào)光方式采用Shunt FET，負(fù)載選擇分流電阻器，負(fù)載是LED開(kāi)關(guān)矩陣電路的時(shí)候，都可能會(huì)使輸出電壓短路，而導(dǎo)致無(wú)法正常啟動(dòng)。

圖3 TPS92515-Q1電感電流和輸出電壓( 電阻器負(fù)載輸出短路故障)

圖4. 可能引起輸出短路的電路

為了避免這種情況，即使輸出短路的時(shí)候，仍需要一路額外的電壓來(lái)給COFF進(jìn)行充電。 VCC/VDD可以用作的并行電源為 COFF 電容充電，保持穩(wěn)定的關(guān)斷時(shí)間，并保持恒定的波紋?？蛻?hù)在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候可以在VCC/VDD到COFF之間預(yù)留一個(gè)電阻ROFF2，如圖5所示，有利于后期調(diào)試工作。與此同時(shí)，TI芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)根據(jù)芯片內(nèi)部的電路給出具體的ROFF2的計(jì)算公式來(lái)方便客戶(hù)對(duì)電阻的選擇。

圖5 SHUNT FET 外接ROFF2的改進(jìn)電路

以圖3 TPS92515-Q1的短路輸出故障為例，采用圖5的改進(jìn)方法，在VCC和COFF之間加一個(gè)ROFF2 對(duì)COFF進(jìn)行充電。

選擇 ROFF2 分為兩步，第一步是計(jì)算輸出采用分流電阻器時(shí)所需的關(guān)閉時(shí)間 (tOFF-Shunt)， 其中VSHUNT 是負(fù)載采用分流電阻時(shí)的輸出電壓。

第二步是用tOFF-Shunt 來(lái)計(jì)算ROFF2, 由VCC經(jīng)ROFF2對(duì)COFF充電，計(jì)算公式如下。

根據(jù)計(jì)算選擇合適的ROFF2值(50k Ohm)，在圖3的故障情況下，連接ROFF2 在VCC和COFF之間，此時(shí)電路輸出正常。同時(shí)需要注意，ROFF2應(yīng)該比 ROFF1大得多，如果太低， TPS92515-Q1 將會(huì)遇到最小的接通時(shí)間問(wèn)題，這將導(dǎo)致電流增加，并可能損壞芯片設(shè)備。

圖6 TPS92515-Q1 電感電流和輸出電壓(加ROFF2 后正常)

審核編輯：湯梓紅