關(guān)于汽車照明中的LED驅(qū)動器輸出對地短路的對于方法分析

作者 John Rice 德州儀器 (TI) 電源系統(tǒng)工程師

在諸如汽車LED照明等應(yīng)用中，由于駕駛員通常遠(yuǎn)離LED，因此需要增加短路保護(hù)功能，JOHN RICE在本文中介紹了如何防止LED驅(qū)動器輸出對地短路。

非同步、升壓、電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣?jīng)常用于LED驅(qū)動器等應(yīng)用中。在這些應(yīng)用中，輸入電壓 (VIN) 不足以正向偏置一組串聯(lián)/并聯(lián)LED燈串。這個電感開關(guān)拓?fù)渖闪藢崿F(xiàn)LED電流調(diào)節(jié)所必要的依從電壓，并且通常用于LCD背光應(yīng)用中。例如在遠(yuǎn)離駕駛員的汽車內(nèi)部和外部照明等LED矩陣應(yīng)用中，一旦發(fā)生輸出對地短路的危險，就會產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。限制電流并運行保護(hù)電路作為電子斷路器能夠防止這些災(zāi)難性的故障。

如圖1所示，升壓轉(zhuǎn)換器的輸入通過升壓電感器 (L1) 和升壓二極管 (D1) 物理連接至其輸出端。因此，輸出上的短路情況會使升壓電感器飽和，其造成的電流尖峰足以損壞升壓二極管。而更糟糕的是，此短路情況也會干擾到所有連接到輸入端的器件，其中包括脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器。很明顯，在使用中這種拓?fù)鋾r，需要某種類型的電路保護(hù)，來為遠(yuǎn)程LED供電。接下來將考慮設(shè)計一個多用途、低成本電路，此電路可被優(yōu)化為保護(hù)升壓轉(zhuǎn)換器，并防止輸入端出現(xiàn)短路負(fù)載情況。此外，我們將通過一個模擬電路來驗證所需的響應(yīng)。

圖1. 基于非隔離式升壓拓?fù)涞腖ED驅(qū)動器電路

電流限制器和電子斷路器

分流監(jiān)視器 (CSM) 是一種高精度、高增益差分電流感測放大器，經(jīng)常被用來監(jiān)視輸入和輸出電流。圖2顯示的是其典型配置。這個特定器件集成了一個開漏比較器；此比較器可被設(shè)定為在預(yù)先設(shè)置的線路電流上跳變、鎖存和復(fù)位。

圖. 2. 一個分流監(jiān)視器組件增加了保護(hù)功能

此比較器的輸出可被用來控制一個可以在幾毫秒內(nèi)中斷負(fù)載短路的外部MOSFET開關(guān)。除了在輸出上出現(xiàn)故障情況時中斷輸入電流外，模擬輸出還可以解決開關(guān)穩(wěn)壓器的所謂的“負(fù)輸入阻抗”問題，阻止輸入電流隨輸入電壓的減少而增加。

通過將輸入電流與輸出電流以邏輯“或”的配置方式相連接，可實現(xiàn)對輸入的鉗制。如圖3中所示，其目的是為了生成一個驅(qū)動PWM控制器的復(fù)合反饋信號。然后，CSM使輸出電流反饋無效，并且強制LED電流在輸入電壓下降到一個預(yù)設(shè)電平以下時減少，從而限制輸入電流。

圖 3. 輸入限流器依賴感測輸入和輸出電流

電路操作

圖4顯示了一個具有輸出短路保護(hù)功能的升壓轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動器的電路實現(xiàn)方式。電路中顯示的Osram Opto Semiconductors Ostar公司生產(chǎn)的LED是一款針對汽車前燈應(yīng)用的器件，實際上是位于一塊絕緣金屬基板上的單片、LED。此器件具有額定值為2A的浪涌電流（少于10 μs），以及電流為1A時18V的典型正向電壓。DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器感測反饋引腳上的正向LED電流，并且充分調(diào)整輸出電壓，以調(diào)節(jié)LED電流。LED電流由感測電阻器 (RSNS) 設(shè)定，它的值與PWM轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)成比例 (RSNS = VREF/ILED)。使用一個具有低基準(zhǔn)電壓的升壓轉(zhuǎn)換器能夠更輕松地實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換器效率，并減少組件熱應(yīng)力。

圖4. 具有短接負(fù)載故障保護(hù)功能的LED升壓驅(qū)動器電路

雖然使用壽命可以長達(dá)50000小時以上，但LED對于溫度和電過應(yīng)力十分敏感，而且它們的動態(tài)阻抗特性經(jīng)常會給開關(guān)穩(wěn)壓器組件的選擇和控制環(huán)路的設(shè)計提出難題。這份操作說明書中對這些選擇和設(shè)計難題進(jìn)行了說明。按照這種方法開發(fā)出了圖4中顯示的電路仿真來分析LED驅(qū)動器/保護(hù)電路的復(fù)雜程度，并在各種不同的工作條件下預(yù)測電路運行方式。

為這項分析所選擇的PWM控制器具有一個0.26V的反饋基準(zhǔn)電壓。所以，LED電流為1A時，LED感測電阻器的功率耗散只有0.26W。由于CSM具有值為50的增益，就需要一個小很多的感測電阻器來感測輸出電流。當(dāng)流經(jīng)CSM分流電阻器的電流超過CSM感測電阻器設(shè)定的限值時，CSM增益和比較器閥值 (R, R)，PMOS導(dǎo)通晶體管中斷負(fù)載電流—從而發(fā)揮電子斷路器的作用。

可通過將RESET引腳切換為低電平來復(fù)位鎖存輸出。然而，考慮到這篇文章的目的，RESET已經(jīng)被禁用，以檢驗響應(yīng)速度。響應(yīng)速度和峰值電流取決于很多變量。這些變量包括組件選擇、CSM帶寬、噪聲濾波器、輸出電容、FET選擇、和輸出升壓電感器。這些因素和在一起會影響轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗。為了準(zhǔn)確評估運行方式，我們曾以50ns的最大時間步進(jìn)和設(shè)定為0.001%的直流相對容限運行仿真。此分析在TINA-TI，一款免費的Berkeley SPICE 3f5兼容仿真器中運行。工作頻率300kHz的升壓轉(zhuǎn)換器的5ms仿真在僅僅30秒以內(nèi)即可啟動至穩(wěn)定狀態(tài)。

將CSM放置在何處

CSM可被放置在升壓轉(zhuǎn)換器的輸入或輸出上。在這個模擬中，CSM被放置在輸出上，它通過與輸出PMOS導(dǎo)通元件 (T5) 相并聯(lián)的10 mΩ分流電阻器來感測電流。根據(jù)CSM的放置位置，此電路可以防止內(nèi)部和/或外部短路情況。然而，CSM必須被設(shè)計成在所有工作條件下均具有足夠共模范圍 (CMR)。

如果放置在升壓轉(zhuǎn)換器的輸入上，可選擇具有較低CMR的CSM。然而，將CSM放置在輸出上可以避開升壓電感器，并且有助于加快對短路情況的反應(yīng)時間。無論將CSM放置在何處，都應(yīng)該使用一個RC濾波器來衰減那些會由于分流電阻器的突然di/dt事件而出現(xiàn)的噪聲和諧振振鈴。一個小型100電阻器和差分電容器可被置入比估計的分流器Lp/R時間常量大3倍的時間常量，其中Lp是寄生并聯(lián)電感。由于CSM的增益誤差和帶寬受到噪聲濾波器的負(fù)面影響，保持濾波器的低值很重要。

模擬結(jié)果

圖5展示了模擬結(jié)果。Vg是到PMOS FET的控制電壓，并在正常情況下被設(shè)定為-6V。需要根據(jù)FET的閥值電壓、柵極電荷、和飽和特性進(jìn)行優(yōu)化。最大限度地減小柵極上的電壓可以改進(jìn)反應(yīng)時間，并且應(yīng)該選擇上拉電阻器來盡可能地縮短中斷周期。需要注意的是，輸入電流和柵極電壓用高柵極電荷（紫色），和低柵極電荷（藍(lán)色）MOSFET顯示。

圖5. 標(biāo)準(zhǔn)有線和無線網(wǎng)絡(luò)將在物理樓宇系統(tǒng)和樓宇管理設(shè)備之間承載傳遞相對簡單的命令和數(shù)據(jù)

很明顯，較低柵極電荷器件最大限度地減少了輸入上的可見電流。選擇MOSFET和柵極驅(qū)動電路來實現(xiàn)最優(yōu)響應(yīng)是十分重要的設(shè)計考慮，這是因為這種設(shè)計限制了di/dt，并且滿足了MOSFET安全運行要求。這些復(fù)雜的設(shè)計考慮在分析起來可不那么容易；因此，最好在在工作臺上對它們進(jìn)行模擬和確認(rèn)。

在某些諸如Tektronix產(chǎn)品的某些示波器上提供專門的測試軟件來計算相對于MOSFET安全運行曲線的開關(guān)功率損耗。本次模擬建議響應(yīng)持續(xù)時間少于2μs，這在電流被中斷前可獲得少于6A的輸入電流。中斷FET的選擇將影響峰值輸入和輸出電流。驅(qū)動高端NMOS器件的高性能、可熱插拔控制器是另外一個選擇，并且能夠?qū)崿F(xiàn)少于250ns的中斷時間。這些器件針對背板熱插拔卡插入進(jìn)行了優(yōu)化，但是可以提供一個性能比這里展示的解決方案更高的解決方案。

避免的故障

此電路展示并模仿了中斷情景，也在多變的負(fù)載條件下限制升壓轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動器的輸入/輸出電流。該電路經(jīng)過優(yōu)化可以適合于汽車LED前燈驅(qū)動器應(yīng)用。我們證明了實現(xiàn)最優(yōu)電路響應(yīng)時間需要仔細(xì)的分析和組件選擇。將這些靈敏性集成到一個綜合性時域電路模擬中有助于理解不同工作條件和組件選擇情況下的電路運行狀態(tài)。

提供的專業(yè)化可熱插拔控制器具有專門的特性和優(yōu)化的性能，在設(shè)計時應(yīng)該將它們考慮在內(nèi)。在任何一種情況下，當(dāng)執(zhí)行一個電路來中斷或限制電源時有必要進(jìn)行仔細(xì)分析。為LED驅(qū)動器設(shè)計一個穩(wěn)健耐用的保護(hù)電路是一項復(fù)雜的工作，而諸如TINA-TI，SPICE和WEBENCH等軟件工具能夠在加快分析和設(shè)計方面提供幫助。