LED驅動器應用中升壓轉換器的簡單開路保護

驅動高亮度 LED 的一種方法是對標準升壓轉換器拓撲進行修改，以驅動恒定電流通過負載。但是，這種實施方法存在一個嚴重問題，因為 LED 串中出現(xiàn)的開路故障會移除負載電流的通路。由于來自轉換器（此時在無反饋情況下工作）的高輸出電壓，這樣可能會對電路造成潛在損壞。本文為您介紹一種簡單的健壯開路故障保護方法，其使用一個齊納二極管和一個電阻器，并且對總效率的影響可以忽略不計。通過將一個高壓升壓轉換器配置為一個恒流驅動器，用于驅動 3 支高亮度白光 LED，并在輸出端產生一個模擬故障狀態(tài)，我們可以驗證這種拓撲結構的功能性。該電路將輸出電壓控制在某個安全水平，并在受保護狀態(tài)下減少輸出電流。

典型高亮度 LED 升壓轉換器

我們常常對轉換器進行修改，以在單節(jié)鋰離子（Li-Ion）、堿性及其它應用中驅動高亮度 LED。在這些應用中，LED 串的電壓超出了電池或者電源軌電壓。在標準升壓配置結構中，利用一個分壓器產生電路的反饋電壓 VFB，從而對輸出電壓 VOUT 進行監(jiān)控。轉換器對輸出電壓進行調節(jié)，讓 VFB 始終都等于片上參考電壓 VREF。這種拓撲為自適應型，可用負載代替反饋分壓器中的上層電阻器，從而保持恒定電流而非恒定電壓，如圖 1 中 LED 串所示。負載電流依賴于升壓轉換器的片上參考電壓，其計算方法如下：

這種簡單實施方法存在的一個嚴重問題是，LED 串中出現(xiàn)的開路故障會移除負載電流的通路。當沒有電流流過反饋電阻器 RSET 時，VFB 被下拉至接地。作為響應，升壓轉換器會盡可能地增加其工作占空比至最大值，目的是在反饋 （FB）針腳上維持正確的電壓。利用理想化的升壓轉換器傳輸函數(shù)表明，當轉換器接近其最大占空比時，可以產生高輸出電壓 （VOUT）。請思考一個90%（常用值）典型最大占空比且 5V 輸入的升壓轉換器：

轉換器輸出端高壓帶來發(fā)生多次故障的可能性。這種電壓可能會超出內部或者外部開關式器件或者無源組件的額定值。另外，如果在沒有采取保護措施的情況下操作電路，它還會給用戶帶來潛在危險，并可能會在連接時損壞負載。

圖 1 無開路保護 LED 驅動器高壓升壓轉換器結構

保護電路

在出現(xiàn)開路狀態(tài)時，負載電流必須有一條備用通路。盡管將一個電阻器與 LED 串并聯(lián)可以提供一條通路，但其并不理想，因為它會引起巨大的效率損失。替代配置（圖 2）由一個齊納二極管和一個電阻器組成，可提供足夠的系統(tǒng)保護，并且效率損失微乎其微。

圖 2 有開路保護 LED 驅動器電路

當負載電流通路被移除時，輸出電壓上升，直到齊納二極管 ZD1 開啟，同時電流流經 RPRO 和 RSET 接地。輸出電流由 RPRO 和 RSET 的串聯(lián)組合決定，因為 VFB 受到驅動后等于內部帶隙參考電壓 VREF。因此，輸出保護電流默認為：

我們?yōu)辇R納二極管選擇一個電壓，以使正常電路工作期間沒有電流流經它。為了確保該二極管在正常運行期間完全關閉，所選電壓應至少高于最大負載電壓 2V，但小于升壓轉換器的規(guī)定最大輸出電壓。這樣，電路設計人員便不會經常被迫增加輸出電容器 C2 和 C3 以及箝位二極管 SD1 的額定電壓。輸出電壓被控制為齊納二極管電壓與參考電壓的和：

通過平衡電路保護期間的 LED 電流感應誤差和功耗來選擇 RPRO 值。實際上，RPRO 的值應盡可能地大，以最小化齊納二極管的功耗：

進入電路的誤差，由齊納二極管的漏電流IZL以及升壓轉換器內部誤差放大器的偏置電流 IFB 所引起。方程式 6 是一個經過修改的傳輸函數(shù)，其包括了這些誤差：

由于這兩種電流一般都小于 1 μA，因此引起的誤差非常小，在大多數(shù)實現(xiàn)中均可以忽略不計。

演示論證

作為一個應用舉例，TI TPS61170 升壓轉換器 IC 被配置為一個恒定電流 LED驅動器。在諸如背光照明或者手電筒等應用中，它是驅動高亮度LED串的理想升壓轉換器。3V-18V 輸入范圍允許使用較寬的電源范圍，例如：2S 到 4S 鋰離子或者 3S 到 12S 堿性電池組、USB 或者 12V 電源軌。

圖 3 保護電路激活示波器截屏

升壓轉換器經過配置，用于驅動 3 支高亮度白光 LED（260 mA）。典型參考電壓為 1.229 V 時，將簡化的負載電流用于方程式7中，計算得到RSET：

我們選用1mA值作為保護電流（IPRO），以計算RPRO值：

我們?yōu)?ZD1 選擇一個 15V 齊納二極管，以表現(xiàn)約 10V 預計負載電壓時的最小漏電流，同時還將輸出控制在遠低于升壓轉換器最大允許輸出電壓 （40V） 的某個值。輸出電壓被控制在齊納二極管電壓 （VZD1），其與轉換器參考電壓的和為：

利用選擇的負載電流和保護電阻器，計算與預期負載電流的偏差（參見下列方程式 10）。數(shù)據(jù)表值200 nA用于反饋偏置電流 （IFB），1 μA 值則用于預計的齊納二極管漏電流，VOUT 約為 10V。

電路的目標負載電流為 260 mA。正如我們所看到的那樣，一旦組件理論值被方程式 10中的有效值代替，它們引起的誤差將遠多于保護電路本身帶來的誤差。

為了測試保護電路的運行情況，我們使用一個 38 Ω 的電阻器十進位箱代替 LED 串，目的是模擬設計負載電流下 LED 串的電壓。通過快速地將負載電阻從 38 Ω 改變?yōu)?1038Ω，可以模擬一次開路故障。如圖3所示，這種輸出電流變化（綠色線條）表明了負載阻抗的突然變化。為了進行補償，TPS61170 輸出電壓（黃色線條）上升，以重新達到設計負載電流。但是，這種變化不會始終如此，直到達到其最大占空比，輸出電壓穩(wěn)定在了約 16V 的箝位電壓。

結論

我們?yōu)槟榻B了一種給配置為恒定電流 LED 驅動器的升壓轉換器提供開路保護的簡單方法。這種電路由一個齊納二極管和一個附加電阻器組成，其將輸出電壓限制在一個安全水平，同時在負載出現(xiàn)開路故障時降低輸出電流。另外，這種方法給負載電流計算過程帶來了一些誤差，并使正常電路運行期間的效率稍有降低，但這些影響都可以忽略不計。將一個升壓轉換器配置為一個 LED 驅動器，并添加一個 15V 齊納二極管和一個 1.2kΩ 電阻器，用于輸出保護。這樣便演示論證了這種保護電路的功能性。該演示論證電路在模擬負載故障狀態(tài)下的輸出表現(xiàn)符合我們的預期。