汽車LED升壓驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)

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(dòng)器輸出對(duì)地短路。

　　異步、升壓、電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣?jīng)常用于LED驅(qū)動(dòng)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(gè)電感開(kāi)關(guān)拓?fù)渖闪藢?shí)現(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(duì)地短路的危險(xiǎn)，就會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。限制電流并運(yùn)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(guò)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(huì)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(huì)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(shí)，需要某種類型的電路保護(hù)，來(lái)為遠(yuǎn)程LED供電。接下來(lái)將考慮設(shè)計(jì)一個(gè)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(guò)一個(gè)模擬電路來(lái)驗(yàn)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(dòng)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(cè)放大器，經(jīng)常被用來(lái)監(jiān)視輸入和輸出電流。圖2顯示的是其典型配置。這個(gè)特定器件集成了一個(gè)開(kāi)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(gè)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(lái)控制一個(gè)可以在幾毫秒內(nèi)中斷負(fù)載短路的外部MOSFET開(kāi)關(guān)。除了在輸出上出現(xiàn)故障情況時(shí)中斷輸入電流外，模擬輸出還可以解決開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的所謂的"負(fù)輸入阻抗"問(wèn)題，阻止輸入電流隨輸入電壓的減少而增加。

　　通過(guò)將輸入電流與輸出電流以邏輯"或"的配置方式相連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的鉗制。如圖3中所示，其目的是為了生成一個(gè)驅(qū)動(dòng)PWM控制器的復(fù)合反饋信號(hào)。然后，CSM使輸出電流反饋無(wú)效，并且強(qiáng)制LED電流在輸入電壓下降到一個(gè)預(yù)設(shè)電平以下時(shí)減少，從而限制輸入電流。
　

圖3. 輸入限流器依賴感測(cè)輸入和輸出電流

電路操作

　　圖4顯示了一個(gè)具有輸出短路保護(hù)功能的升壓轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動(dòng)器的電路實(shí)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(duì)汽車前燈應(yīng)用的器件，實(shí)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(shí)18V的典型正向電壓。DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器感測(cè)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(cè)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(gè)具有低基準(zhǔn)電壓的升壓轉(zhuǎn)換器能夠更輕松地實(shí)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(dòng)器電路

　　雖然使用壽命可以長(zhǎng)達(dá)50000小時(shí)以上，但LED對(duì)于溫度和電過(guò)應(yīng)力十分敏感，而且它們的動(dòng)態(tài)阻抗特性經(jīng)常會(huì)給開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器組件的選擇和控制環(huán)路的設(shè)計(jì)提出難題。這份操作說(shuō)明書(shū)中對(duì)這些選擇和設(shè)計(jì)難題進(jìn)行了說(shuō)明。按照這種方法開(kāi)發(fā)出了圖4中顯示的電路仿真來(lái)分析LED驅(qū)動(dòng)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(cè)電路運(yùn)行方式。

　　為這項(xiàng)分析所選擇的PWM控制器具有一個(gè)0.26V的反饋基準(zhǔn)電壓。所以，LED電流為1A時(shí)，LED感測(cè)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(gè)小很多的感測(cè)電阻器來(lái)感測(cè)輸出電流。當(dāng)流經(jīng)CSM分流電阻器的電流超過(guò)CSM感測(cè)電阻器設(shè)定的限值時(shí)，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(guò)將RESET引腳切換為低電平來(lái)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(yàn)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(huì)影響轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗。為了準(zhǔn)確評(píng)估運(yùn)行方式，我們?cè)?0ns的最大時(shí)間步進(jìn)和設(shè)定為0.001%的直流相對(duì)容限運(yùn)行仿真。此分析在TINA-TI，一款免費(fèi)的Berkeley SPICE 3f5兼容仿真器中運(yùn)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(dòng)至穩(wěn)定狀態(tài)。