【LED凈化燈】驅動(dòng)器應用中升壓轉換器的簡(jiǎn)單開(kāi)路保護
2017-08-30 08:55:18 admin
驅動(dòng)高亮度LED的一種方法是對標準升壓轉換器拓撲進(jìn)行修改，以驅動(dòng)恒定電流通過(guò)負載。但是，這種實(shí)施方法存在一個(gè)嚴重問(wèn)題，因為LED凈化燈串中出現的開(kāi)路故障會(huì )移除負載電流的通路。由于來(lái)自轉換器（此時(shí)在無(wú)反饋情況下工作）的高輸出電壓，這樣可能會(huì )對電路造成潛在損壞。本文為您介紹一種簡(jiǎn)單的健壯開(kāi)路故障保護方法，其使用一個(gè)齊納二極管和一個(gè)電阻器，并且對總效率的影響可以忽略不計。通過(guò)將一個(gè)高壓升壓轉換器配置為一個(gè)恒流驅動(dòng)器，用于驅動(dòng) 3 支高亮度白光LED凈化燈，并在輸出端產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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凈化燈 升壓轉換器
我們常常對轉換器進(jìn)行修改，以在單節鋰離子(Li-Ion)、堿性及其它應用中驅動(dòng)高亮度 LED凈化燈。在這些應用中，LED凈化燈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(gè)分壓器產(chǎn)生電路的反饋電壓 VFB，從而對輸出電壓 VOUT進(jìn)行監控。轉換器對輸出電壓進(jìn)行調節，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(lài)于升壓轉換器的片上參考電壓，其計算方法如下：
這種簡(jiǎn)單實(shí)施方法存在的一個(gè)嚴重問(wèn)題是，LED 串中出現的開(kāi)路故障會(huì )移除負載電流的通路。當沒(méi)有電流流過(guò)反饋電阻器 RSET時(shí)，VFB被下拉至接地。作為響應，升壓轉換器會(huì )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表明，當轉換器接近其最大占空比時(shí)，可以產(chǎn)生高輸出電壓 (VOUT)。請思考一個(gè)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(lái)發(fā)生多次故障的可能性。這種電壓可能會(huì )超出內部或者外部開(kāi)關(guān)式器件或者無(wú)源組件的額定值。另外，如果在沒(méi)有采取保護措施的情況下操作電路，它還會(huì )給用戶(hù)帶來(lái)潛在危險，并可能會(huì )在連接時(shí)損壞負載。
圖 1 無(wú)開(kāi)路保護LED凈化燈驅動(dòng)器高壓升壓轉換器結構
保護電路
在出現開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，負載電流必須有一條備用通路。盡管將一個(gè)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(huì )引起巨大的效率損失。替代配置（圖 2）由一個(gè)齊納二極管和一個(gè)電阻器組成，可提供足夠的系統保護，并且效率損失微乎其微。
圖 2 有開(kāi)路保護 LED驅動(dòng)器電路
當負載電流通路被移除時(shí)，輸出電壓上升，直到齊納二極管 ZD1 開(kāi)啟，同時(shí)電流流經(jīng) 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(dòng)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(gè)電壓，以使正常電路工作期間沒(méi)有電流流經(jīng)它。為了確保該二極管在正常運行期間完全關(guān)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定最大輸出電壓。這樣，電路設計人員便不會(huì )經(jīng)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(guò)平衡電路保護期間的 LED 電流感應誤差和功耗來(lái)選擇 RPRO值。實(shí)際上，RPRO的值應盡可能地大，以最小化齊納二極管的功耗：
進(jìn)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(gè)經(jīng)過(guò)修改的傳輸函數，其包括了這些誤差：
由于這兩種電流一般都小于 1 ?A，因此引起的誤差非常小，在大多數實(shí)現中均可以忽略不計。
演示論證
作為一個(gè)應用舉例，TI TPS61170升壓轉換器 IC 被配置為一個(gè)恒定電流 LED驅動(dòng)器。在諸如背光照明或者手電筒等應用中，它是驅動(dòng)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(jīng)過(guò)配置，用于驅動(dòng) 3 支高亮度白光 LED（260 mA）。典型參考電壓為 1.229 V 時(shí)，將簡(jiǎn)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)?nbsp;ZD1 選擇一個(gè) 15V 齊納二極管，以表現約 10V 預計負載電壓時(shí)的最小漏電流，同時(shí)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(gè)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(jiàn)下列方程式 10）。數據表值200 nA用于反饋偏置電流 (IFB)，1 ?A 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(lái)的誤差。
為了測試保護電路的運行情況，我們使用一個(gè) 38 ? 的電阻器十進(jìn)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(guò)快速地將負載電阻從 38 ? 改變?yōu)?nbsp;1038?，可以模擬一次開(kāi)路故障。如圖3所示，這種輸出電流變化（綠色線(xiàn)條）表明了負載阻抗的突然變化。為了進(jìn)行補償，TPS61170 輸出電壓（黃色線(xiàn)條）上升，以重新達到設計負載電流。但是，這種變化不會(huì )始終如此，直到達到其最大占空比，輸出電壓穩定在了約 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(dòng)器的升壓轉換器提供開(kāi)路保護的簡(jiǎn)單方法。這種電路由一個(gè)齊納二極管和一個(gè)附加電阻器組成，其將輸出電壓限制在一個(gè)安全水平，同時(shí)在負載出現開(kāi)路故障時(shí)降低輸出電流。另外，這種方法給負載電流計算過(guò)程帶來(lái)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(gè)升壓轉換器配置為一個(gè) LED驅動(dòng)器，并添加一個(gè) 15V 齊納二極管和一個(gè) 1.2k? 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)下的輸出表現符合我們的預期。
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