140W單片式開關(guān)穩(wěn)壓器簡(jiǎn)化了恒流/恒壓調(diào)節(jié)

LT?3956 是一款單片式開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠在很寬的輸入和輸出電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生降壓、升壓或 SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的恒定電流 / 恒定電壓輸出。憑借高達(dá) 80V 的輸入和輸出電壓、一個(gè)堅(jiān)固的內(nèi)部 84V 開關(guān)和高效率操作，LT3956 能夠以小占板面積輕松產(chǎn)生高功率。

LT3956 將關(guān)鍵放大器和比較器模塊與一個(gè)高電流 / 高電壓開關(guān)穩(wěn)壓器集成在一個(gè)纖巧的 5mm × 6mm 封裝中。參見(jiàn)圖1所示，了解生產(chǎn)完整的恒流、恒壓升壓電路所需的電路板空間有多小，非常適合LED驅(qū)動(dòng)、超級(jí)電容充電或其他需要增加輸入或輸出電流限制保護(hù)的高功率應(yīng)用。

圖1.完整的大功率、恒流、恒壓升壓電路

是什么讓 LT3956 變得滴答作響？

LT3956 中的大動(dòng)量是一個(gè)額定電壓為 84V、90mΩ 低側(cè) N-MOSFET 開關(guān)，具有一個(gè)內(nèi)部編程電流限值 3.9A （典型值）。開關(guān)穩(wěn)壓器可由高達(dá) 80V 的電源供電，因?yàn)?N-MOSFET 開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、PWMOUT 引腳驅(qū)動(dòng)器和大多數(shù)內(nèi)部負(fù)載均由內(nèi)部 LDO 線性穩(wěn)壓器供電，該線性穩(wěn)壓器可將 VIN 轉(zhuǎn)換為 7.15V，前提是 VIN 電源足夠高。開關(guān)占空比和電流由電流模式脈寬調(diào)制器控制，該架構(gòu)可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)、固定開關(guān)頻率操作以及可變輸入和輸出端易于穩(wěn)定的反饋環(huán)路。開關(guān)頻率可利用一個(gè)外部電阻器在 100kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置，從而使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化元件尺寸和性能參數(shù)，例如最小/最大占空比和效率。

LT3956 的核心是一個(gè)雙輸入反饋跨導(dǎo) （gm） 放大器，該放大器將差分恒定電流檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)低側(cè)電壓反饋相結(jié)合。這兩個(gè)循環(huán)之間的交接是無(wú)縫且可預(yù)測(cè)的。最接近其設(shè)定點(diǎn)運(yùn)行的反饋環(huán)路被自動(dòng)選擇為控制電荷流向連接到VC引腳的補(bǔ)償R-C網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路。VC引腳上的電壓電平反過(guò)來(lái)控制開關(guān)的電流和占空比。

堅(jiān)固耐用的高功率升壓 LED 驅(qū)動(dòng)器

圖2所示為采用24V輸入工作的50W升壓LED驅(qū)動(dòng)器，展示了該產(chǎn)品用作LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)的一些獨(dú)特功能。該升壓電路可承受 6V 至 60V 的寬輸入范圍。在此VIN范圍的低端，當(dāng)VIN下降時(shí)，通過(guò)縮減編程的LED電流（由CTRL引腳上的電阻分壓器（R5和R6）設(shè)置），防止電路工作得太接近開關(guān)電流限值。圖3顯示了效率和LED電流與VIN的關(guān)系。高效率（94%）意味著調(diào)壓閥的被動(dòng)冷卻足以應(yīng)對(duì)除最極端環(huán)境條件外的所有條件。

圖2.這款 50W 升壓 LED 驅(qū)動(dòng)器提供寬輸入范圍、PWM 調(diào)光以及 LED 故障保護(hù)和報(bào)告。

圖3.94%的高效率意味著圖3所示轉(zhuǎn)換器的功耗小于2W。

模擬和 PWM LED 調(diào)光

LT3956 提供了兩種高性能調(diào)光方法：通過(guò) CTRL 引腳和 ISP/ISN 電流檢測(cè)輸入進(jìn)行模擬調(diào)光，以及通過(guò) PWM 輸入和 PWMOUT 輸出進(jìn)行 PWM 調(diào)光。

模擬調(diào)光

模擬調(diào)光通過(guò) CTRL 引腳上的電壓實(shí)現(xiàn)。當(dāng) CTRL 引腳低于 1.2V 時(shí)，它將電流檢測(cè)門限設(shè)置為零至 250mV （典型值），保證精度為 3mV 時(shí)為 ±5.100%。當(dāng)CTRL高于1.2V時(shí)，電流檢測(cè)門限固定為250mV。當(dāng) CTRL = 100mV （典型值） 時(shí)，電流檢測(cè)門限設(shè)置為零。如果 CTRL 引腳由電阻分壓器驅(qū)動(dòng)，則此內(nèi)置失調(diào)對(duì)特性非常重要——使用非零 CTRL 電壓可以達(dá)到零編程電流。CTRL 引腳具有高阻抗，因此可以在各種配置中驅(qū)動(dòng)。

脈寬調(diào)制調(diào)光

LED電流的脈寬調(diào)制（PWM）是實(shí)現(xiàn)光輸出寬范圍調(diào)光的首選技術(shù)。圖2所示為電平轉(zhuǎn)換晶體管Q1驅(qū)動(dòng)高端斷接P-MOSFET M1。這種配置允許使用單線解決方案對(duì)燈具進(jìn)行PWM調(diào)光 - LED陰極電流可以在公共GND上返回。PWM調(diào)光波形的示波器照片（圖4）顯示了小于200ns的急劇上升和下降時(shí)間，并且電流快速穩(wěn)定。盡管對(duì)于采用 LT3956 的這一特定升壓電路而言，陰極處的低側(cè) N-MOSFET 斷接是更簡(jiǎn)單、更明顯（而且速度更快）的實(shí)現(xiàn)方案，但使用高端 PWM 斷接對(duì)于下文將要討論的升壓保護(hù)策略非常重要。

圖4.60V LED 的升壓 PWM 調(diào)光波形即使在較短的時(shí)間間隔內(nèi)也能顯示微秒級(jí)的上升和下降時(shí)間以及出色的恒流調(diào)節(jié)。

保護(hù) LED、驅(qū)動(dòng)器和輸入電源的注意事項(xiàng)

LED系統(tǒng)通常需要負(fù)載故障檢測(cè)。在開路LED串的情況下限制輸出電壓一直是一個(gè)基本要求，并通過(guò)FB輸入端的電阻分壓器（R3和R4）來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果串打開，開關(guān)穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)VFB至恒定的1.25V （典型值）。除了 gm提供這種恒壓調(diào)節(jié)的放大器，F(xiàn)B輸入還具有兩個(gè)與之相關(guān)的固定設(shè)定點(diǎn)比較器。當(dāng)FB超過(guò)1.20V （典型值）時(shí)，較低的設(shè)定點(diǎn)比較器激活VMODE集電極開路下拉。在LED斷開并失去電流調(diào)節(jié)信號(hào)后，輸出上升，直到達(dá)到恒壓調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)。在此電壓斜坡期間，VMODE引腳置位并保持，指示LED負(fù)載已開路。當(dāng)PWM變?yōu)榈碗娖角曳€(wěn)壓器停止開關(guān)時(shí)，該信號(hào)保持其狀態(tài)，從而允許輸出電壓可能降至閾值以下，而無(wú)需通過(guò)開關(guān)提供偶爾的刷新。當(dāng) PWM 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，VMODE 引腳會(huì)快速更新。VMODE信號(hào)還可以指示調(diào)節(jié)模式正在從恒流過(guò)渡到恒壓，這是電流限制恒壓應(yīng)用（如電池充電器）的適當(dāng)功能。

圖2中的升壓電路以獨(dú)特的方式使用電壓反饋（FB）輸入，保護(hù)LED節(jié)點(diǎn)免受GND故障的影響，同時(shí)保留LED驅(qū)動(dòng)器的所有其他理想屬性。標(biāo)準(zhǔn)升壓電路具有從電源到輸出的直接路徑，因此當(dāng)電源電流不受限制時(shí)，其輸出端無(wú)法承受GND故障。在許多情況下，人們可能希望保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓器免受LED陽(yáng)極短路至GND的影響——也許燈具通過(guò)連接器或長(zhǎng)線與驅(qū)動(dòng)器電路隔開，輸入電源是高容量電池。+

LT3956 具有提供這種保護(hù)的功能。過(guò)壓FB（OVFB）比較器是FB輸入端的第二個(gè)比較器，設(shè)定點(diǎn)高于VFB調(diào)節(jié)電壓。它導(dǎo)致PWMOUT引腳轉(zhuǎn)換為低電平，并在FB輸入超過(guò)1.31V（典型值）時(shí)立即停止開關(guān)。

OVFB比較器可用于輸出GND故障保護(hù)方案（專利申請(qǐng)中）以實(shí)現(xiàn)升壓。關(guān)鍵元件是高邊LED斷路P-MOSFET （M1）及其響應(yīng)PWMOUT信號(hào)的配套驅(qū)動(dòng)電路，以及由D2、Q2和兩個(gè)電阻組成的輸出GND故障檢測(cè)電路，這些電阻器向FB節(jié)點(diǎn)提供信號(hào)。當(dāng)輸出短路時(shí)，電路通過(guò)檢測(cè)流入D2的電流來(lái)工作，從而觸發(fā)OVFB比較器。響應(yīng)OVFB比較器，高端開關(guān)M1保持關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)停止，直到故障條件消除。圖5顯示了M1開關(guān)在和輸出短路事件期間的電流波形。

圖5.升壓短路至GND的LED端子通過(guò)新型電路防止損壞開關(guān)元件。+

保護(hù) LED 的其他注意事項(xiàng)

一些惡劣的工作環(huán)境會(huì)在輸入電源上產(chǎn)生瞬變，可能會(huì)過(guò)驅(qū)動(dòng)升壓輸出（即使只是短時(shí)間），并可能因電流過(guò)大而損壞 LED。為了在這種瞬態(tài)期間停止開關(guān)并斷開LED的連接，PWM輸入的簡(jiǎn)單附加電路（如圖6中的分線所示）斷開LED串的連接，并在V時(shí)使開關(guān)穩(wěn)壓器空閑。在超過(guò)50V。當(dāng) V在足夠低，但當(dāng)Q1的基極（設(shè)置y電阻分壓器從V開始）時(shí)切斷該電流在） 超過(guò) 6.5V （INTV抄送減去 V是).當(dāng)PWM低于其閾值時(shí)，PWMOUT也會(huì)變低。~2V的遲滯由PWMOUT提供。由于PWM門限較高（在整個(gè)溫度范圍內(nèi)最小值為0.85V），因此可以添加阻斷二極管D1以保持PWM調(diào)光能力。

圖6.VIN過(guò)壓電路在高輸入電壓瞬變期間停止開關(guān)并斷開負(fù)載。

LT3956 為驅(qū)動(dòng) LED 時(shí)遇到的散熱問(wèn)題提供了解決方案。隨著高功率的出現(xiàn)，人們擔(dān)心由于在高溫下連續(xù)運(yùn)行而導(dǎo)致LED的使用壽命縮短。越來(lái)越多的LED模塊應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了LED的熱檢測(cè)，通常采用NTC電阻與LED散熱器耦合，并帶有導(dǎo)熱硅脂。采用 CTRL 和 V 的簡(jiǎn)單電路裁判LT3956 的引腳和一個(gè)檢測(cè) LED 溫度的 NTC 電阻器產(chǎn)生一條 LED 電流的熱降額曲線，如圖 7 所示。

圖7.按 CTRL 和 V裁判引腳提供熱降額以增強(qiáng) LED 可靠性。

恒流/穩(wěn)壓器適用于廣泛的應(yīng)用

驅(qū)動(dòng) LED 充分利用了 LT3956 的特性，但它并不是唯一需要恒定電流下恒定電壓的應(yīng)用。它可用于為電池和超級(jí)電容器充電，或驅(qū)動(dòng)電流源負(fù)載，例如熱電冷卻器，僅舉幾例。它可以用作具有電流限制輸入或輸出的穩(wěn)壓器，或具有電壓鉗的電流調(diào)節(jié)器。

按照這一思路，圖8顯示了一個(gè)SEPIC超級(jí)電容充電器，它從固定的24V輸入獲取電源，輸入電流限值為1.2A。選擇SEPIC架構(gòu)有幾個(gè)原因：它可以同時(shí)進(jìn)行升壓和降壓，并且具有輸入與輸出的固有隔離。選擇耦合電感而不是2電感方法，因?yàn)殡娐犯?，成本更低。磁耦合效?yīng)允許使用單個(gè)耦合電容器，而 LT3956 的開關(guān)電流水平戰(zhàn)略性地利用了主要磁性供應(yīng)商現(xiàn)成的耦合電感器產(chǎn)品3。

圖8.具有電流限制輸入的超級(jí)電容器充電器可在寬輸出范圍內(nèi)提供受控的充電電流。

大值電容器（1F或更高）的充電電路可能在非基于電池的備用電源系統(tǒng)中找到。這些充電器將從一些間歇性運(yùn)行的基于電感的直流電源中獲取電力，但可用功率可能會(huì)根據(jù)整體系統(tǒng)預(yù)算而受到限制。圖8所示電路的輸出充電速率不是基于任何定時(shí)器，而是基于CTRL引腳檢測(cè)的輸出電壓電平。低于某個(gè)輸出電壓（在本例中為22V）時(shí)，輸入電流受到限制，以便開關(guān)穩(wěn)壓器保持在自己的電流限制范圍內(nèi)。在較高的輸出電壓下，默認(rèn)的內(nèi)部電流檢測(cè)門限為250mV （典型值），確定輸入電流不能超過(guò)1.2A，因此輸出電流下降。在低于 1.5V 的非常低輸出電壓下，驅(qū)動(dòng) LT3956 SS 引腳的網(wǎng)絡(luò)降低了開關(guān)頻率和電流限值，以保持對(duì)充電電流的良好控制。當(dāng)負(fù)載在其目標(biāo)電壓的 5% 以內(nèi)時(shí)，VMODE 引腳切換以指示恒流模式結(jié)束并進(jìn)入恒壓調(diào)節(jié)狀態(tài)。

該電路適用于VIN在正常工作期間變化不大的情況。此類電路的設(shè)計(jì)過(guò)程從設(shè)置RSENSE值和250mV默認(rèn)門限的最大輸入電流限值開始。下一個(gè)設(shè)計(jì)步驟是確定VOUT電平，低于該電平時(shí)，將通過(guò)CTRL降低VIN電流，以保持低于2.5A的平均開關(guān)電流。假設(shè)效率略低于90%，則在以下情況下設(shè)置電阻分壓器R5和R6，使其CTRL = 1.1V

R5和R6的值應(yīng)比電阻R7高一個(gè)數(shù)量級(jí)。電阻分壓器R7和R8設(shè)置為在CTRL處提供大于125mV的最小電壓，這是設(shè)置輸入電流非零值所必需的。

結(jié)論

LT3956 簡(jiǎn)化了需要恒定電流和恒定電壓調(diào)節(jié)的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，尤其是在它們受到電路板面積和 / 或物料清單長(zhǎng)度限制的情況下。選擇其功能是為了最大限度地減少這些類型應(yīng)用的外部模擬模塊數(shù)量，同時(shí)保持靈活性。將這些元件小心地集成到開關(guān)穩(wěn)壓器中，可以輕松生產(chǎn)出需要眾多外部元件的繁瑣組合的應(yīng)用。

審核編輯：郭婷