將降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為智能LED驅(qū)動器，包括調(diào)光

憑借其長壽命和低能耗，LED有望改變照明行業(yè)，但快速采用的關(guān)鍵限制因素是LED本身的成本。LED燈具（完整的電燈單元）的成本各不相同，但LED的成本通常占燈具總成本的25%至40%左右，預(yù)計(jì)在多年內(nèi)仍將很高（圖1）。

圖1.LED 燈具成本明細(xì)。1

降低燈具總成本的一種方法是以最高可能的直流電流驅(qū)動LED，如其數(shù)據(jù)表中允許的那樣。這可能遠(yuǎn)高于其“分檔電流”。如果驅(qū)動得當(dāng)，這可以產(chǎn)生更大的流明/成本。

圖2.LED 光輸出和功效與驅(qū)動電流的關(guān)系。2

但是，這樣做需要更高的電流驅(qū)動器。許多解決方案可用于在低電流（<500 mA）下驅(qū)動LED，但在較高電流（700 mA至4 A）下，選擇較少。這似乎令人驚訝，因?yàn)榘雽?dǎo)體領(lǐng)域擁有豐富的DC-DC解決方案，其容量高達(dá)4 A，但這些解決方案旨在控制電壓，而不是LED電流。本文探討了一些將現(xiàn)成的DC-DC降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為智能LED驅(qū)動器的簡單技巧。

降壓穩(wěn)壓器斬波輸入電壓并將其通過LC濾波器以提供穩(wěn)定的輸出，如圖3所示。它采用兩個(gè)有源元件和兩個(gè)無源元件。有源元件是從輸入到電感的開關(guān)“A”，以及從地到電感的開關(guān)（或二極管）“B”。無源元件是電感（L）和輸出電容（C外).它們形成LC濾波器，可減少有源元件產(chǎn)生的紋波。

圖3.基本降壓排列。3

如果開關(guān)是內(nèi)部的，則降壓器稱為穩(wěn)壓器，如果開關(guān)是外部的，則稱為控制器。如果兩個(gè)開關(guān)都是晶體管（MOSFET或BJT），則它是同步的，如果底部開關(guān)是用二極管實(shí)現(xiàn)的，則它是異步的。這些類別的降壓電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，但同步降壓穩(wěn)壓器通常會優(yōu)化效率、器件數(shù)量、解決方案成本和電路板面積。遺憾的是，用于驅(qū)動大電流LED（高達(dá)4 A）的同步降壓穩(wěn)壓器數(shù)量少且價(jià)格昂貴。本文以ADP2384為例，介紹如何修改標(biāo)準(zhǔn)同步降壓穩(wěn)壓器的連接以調(diào)節(jié)LED電流。

ADP2384高效同步降壓穩(wěn)壓器額定輸出電流高達(dá)4 A，輸入電壓高達(dá)20 V。 圖4顯示了用于調(diào)節(jié)輸出電壓的正常連接。

圖4.連接用于調(diào)節(jié)輸出電壓的ADP2384。

在操作中，輸出電壓的分頻副本連接到FB引腳，與內(nèi)部600 mV基準(zhǔn)電壓源相比，并用于為開關(guān)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼伎毡取Ｔ诜€(wěn)態(tài)下，F(xiàn)B引腳正好保持在600 mV，因此V外調(diào)節(jié)在分壓比的 600 mV 倍。如果上部電阻被LED取代（圖5），輸出電壓必須為保持600 mV（FB時(shí)）所需的電壓（在額定值范圍內(nèi)）;因此，通過LED的電流將控制在600 mV/R意義.

圖5.基本（但效率低下）LED 驅(qū)動器。

當(dāng)從FB到地的精密電阻設(shè)置LED電流時(shí)，該電路工作得很好，但電阻會消耗大量功率：P = 600 mV ×我發(fā)光二極管.對于低LED電流來說，這不是一個(gè)大問題，但在高LED電流下，低效率會顯著增加燈具的散熱（600 mV × 4 A = 2.4 W）。降低FB基準(zhǔn)電壓會按比例降低功耗，但大多數(shù)DC-DC穩(wěn)壓器沒有辦法調(diào)節(jié)該基準(zhǔn)電壓源。幸運(yùn)的是，對于大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器來說，有兩個(gè)技巧可以降低基準(zhǔn)電壓：使用SS/TRK引腳或偏移R。意義電壓。

許多通用降壓IC包括軟啟動（SS）或跟蹤（TRK）引腳。SS 引腳通過在啟動時(shí)緩慢增加開關(guān)占空比來最大限度地降低啟動瞬變。TRK 引腳允許降壓穩(wěn)壓器遵循一個(gè)獨(dú)立的電壓。這些功能通常組合到單個(gè)SS/TRK引腳上。在大多數(shù)情況下，誤差放大器會將SS、TRK和FB電壓中的最小值與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，如圖6所示。

圖6.采用ADP2384的軟啟動引腳操作。

對于燈具應(yīng)用，將SS/TRK引腳設(shè)置為固定電壓，并將其用作新的FB基準(zhǔn)。來自恒定電壓的分壓器可以很好地用作參考源。例如，許多降壓穩(wěn)壓器IC包括受控的低壓輸出，例如V注冊引腳連接到ADP2384上。為了獲得更高的精度，可以使用簡單的2端子外部精密基準(zhǔn)電壓源，例如ADR5040。在任何情況下，從該電源到 SS/TRK 引腳的電阻分壓器構(gòu)成新的基準(zhǔn)。將此電壓設(shè)置為100 mV至200 mV之間通?？稍诠暮蚅ED電流精度之間提供最佳折衷方案。用戶選擇基準(zhǔn)電壓的另一個(gè)好處是 R意義可以選擇作為方便的標(biāo)準(zhǔn)值，避免了指定或組裝任意精度電阻值來設(shè)置LED電流的費(fèi)用和不準(zhǔn)確性。

圖7.使用 SS/TRK 引腳降低 FB 基準(zhǔn)電壓。

使用SS或TRK引腳方法并非適用于所有降壓穩(wěn)壓器，因?yàn)槟承㊣C沒有這些引腳。此外，對于某些降壓IC，SS引腳會改變峰值電感電流，而不是FB基準(zhǔn)，因此有必要仔細(xì)檢查數(shù)據(jù)手冊。作為替代方案，R意義電壓可以抵消。例如，精確電壓源和R之間的電阻分壓器意義提供來自 R 的相當(dāng)恒定的失調(diào)電壓意義到FB引腳（圖8）。

圖8.偏移 R意義電壓。

電阻分壓器的必要值可以使用公式1找到，其中V支持是輔助調(diào)節(jié)電壓，并且F布雷夫（新）是 R 兩端的所需電壓意義.

因此，為了獲得150 mV的有效反饋基準(zhǔn)電壓源，R2 = 1 kΩ 和V支持= 5 V：

指示燈電流為：

這種方法不需要SS或TRK引腳。FB引腳仍將調(diào)節(jié)至600 mV（但電壓在R意義調(diào)節(jié)到F布雷夫（新）).這意味著芯片的其他功能（包括軟啟動、跟蹤和電源良好）仍將正常運(yùn)行。

這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是R之間的偏移量意義FB受供應(yīng)精度的強(qiáng)烈影響。使用ADR5040等精密基準(zhǔn)電壓源是理想的選擇，但精度較低的基準(zhǔn)電壓源容差（±5%）會導(dǎo)致LED電流±12%的變化。比較如表1所示：

表 1.SS/TRK 和抵消 R 的比較意義

精確電流調(diào)節(jié)的另一個(gè)關(guān)鍵是正確布局布線到檢測電阻。4端子檢測電阻是理想的選擇，但可能很昂貴。良好的布局技術(shù)允許使用傳統(tǒng)的2端子電阻獲得高精度，如圖9所示。4

圖9.建議使用 R 的 PCB 走線布線意義.

超越監(jiān)管

使用現(xiàn)成的降壓穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)LED電流非常簡單。此處所示的示例采用ADP2384。一篇內(nèi)容更豐富的論文還包括使用ADP2441的示例，ADP2441是一種引腳更少、輸入電壓范圍為36 V的器件。它展示了一些示例，說明如何實(shí)現(xiàn)專用LED降壓穩(wěn)壓器提供的許多“智能”功能，例如LED短路/開路故障保護(hù)、R意義開路/短路故障保護(hù)、PWM 調(diào)光、模擬調(diào)光和電流折返熱保護(hù)。我們將在這里討論P(yáng)WM和模擬調(diào)光以及電流折返，使用ADP2384，如上例所示。

通過 PWM 和模擬控制進(jìn)行調(diào)光

“智能”LED驅(qū)動器的一個(gè)關(guān)鍵要求是通過調(diào)光控制來調(diào)節(jié)LED亮度，使用兩種方法之一：PWM和模擬。PWM 調(diào)光通過調(diào)節(jié)脈沖占空比來控制 LED 電流。如果頻率高于約120 Hz，人眼會平均這些脈沖以產(chǎn)生感知的平均亮度。模擬調(diào)光將 LED 電流調(diào)整為恒定 （dc） 值。

PWM調(diào)光可以通過打開和關(guān)閉與R串聯(lián)插入的NMOS開關(guān)來實(shí)現(xiàn)意義.這些電流水平需要一個(gè)功率器件，但增加其中一個(gè)功率器件會破壞使用包含其自身電源開關(guān)的降壓穩(wěn)壓器所獲得的尺寸和成本效益?；蛘?，可以通過快速打開和關(guān)閉穩(wěn)壓器來執(zhí)行PWM調(diào)光。在低 PWM 頻率 （<1 kHz） 下，這仍然可以提供很高的精度（圖 10）。

圖 10.ADP2384 PWM調(diào)光線性度—200 Hz時(shí)輸出電流與占空比的關(guān)系。

與所有通用降壓穩(wěn)壓器一樣，ADP2384沒有用于施加PWM調(diào)光輸入的引腳，但可以操縱FB引腳來啟用和禁用開關(guān)。如果FB變?yōu)楦唠娖?，則誤差放大器變?yōu)榈碗娖剑祲洪_關(guān)停止。如果 FB 重新連接到 R意義，然后恢復(fù)正常調(diào)節(jié)。這可以通過低電流NMOS晶體管或通用二極管來完成。在圖11中，高PWM信號連接R意義到 FB，啟用 LED 調(diào)節(jié)。低 PWM 信號關(guān)閉 NMOS，上拉電阻使 FB 變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖 11.使用ADP2384進(jìn)行PWM調(diào)光。

PWM調(diào)光非常流行，但有時(shí)需要無噪聲的“模擬”調(diào)光。模擬調(diào)光只是縮放恒定的LED電流，而PWM調(diào)光則將其斬波。如果使用兩個(gè)調(diào)光輸入，則需要模擬調(diào)光，因?yàn)槎鄠€(gè)PWM調(diào)光信號會產(chǎn)生拍頻，從而導(dǎo)致閃爍或可聽噪聲。但是，PWM可用于一種調(diào)光控制，而模擬可用于另一種調(diào)光控制。對于通用降壓穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光的最簡單方法是通過調(diào)整FB基準(zhǔn)電壓源電路的電源來操縱FB基準(zhǔn)電壓源，如圖12所示。

圖 12.模擬調(diào)光電路。

熱折返

由于LED的壽命在很大程度上取決于其工作結(jié)溫，因此有時(shí)需要監(jiān)控LED溫度并在溫度過高時(shí)做出響應(yīng)。異常高溫可能是由散熱器連接不良、環(huán)境異常高溫或其他極端條件引起的。一種常見的解決方案是在溫度超過某個(gè)閾值時(shí)降低 LED 電流（圖 13）。這稱為 LED 熱折返。

圖 13.所需的 LED 熱折返曲線。

在這種類型的調(diào)光中，LED保持全電流，直到達(dá)到溫度閾值（T1），超過該閾值，LED電流隨著溫度的升高而開始減小。這限制了LED的結(jié)溫并延長了其使用壽命。低成本NTC（負(fù)溫度系數(shù)）電阻通常用于測量LED的散熱器溫度。只需對模擬調(diào)光方案稍作修改，NTC的溫度即可輕松控制LED電流。如果使用 SS/TRK 引腳控制基準(zhǔn)電壓源，則一個(gè)簡單的方法是將 NTC 與基準(zhǔn)電壓并聯(lián)（圖 14）。

圖 14.使用 SS/TRK 引腳的 LED 熱折返。

隨著散熱器溫度的升高，NTC電阻下降。NTC與R3形成電阻分壓器。如果分壓器的電壓高于基準(zhǔn)電壓，則提供最大電流;如果NTC電阻電壓降至基準(zhǔn)電壓以下，則FB基準(zhǔn)電壓以及LED電流開始下降。

結(jié)論

這些技巧應(yīng)作為使用標(biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)全面LED功能的一般準(zhǔn)則。但是，由于這些功能有點(diǎn)超出降壓IC的預(yù)期應(yīng)用范圍，因此最好與半導(dǎo)體制造商聯(lián)系，以確保IC可以處理這些工作模式。

審核編輯：郭婷