LED 驅(qū)動器應(yīng)用中升壓轉(zhuǎn)換器的簡單開路保護

引言

驅(qū)動高亮度 LED 的一種方法是對標(biāo)準升壓轉(zhuǎn)換器拓撲進行修改，以驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器配置為一個恒流驅(qū)動器，用于驅(qū)動 3 支高亮度白光 LED，并在輸出端產(chǎn)生一個模擬故障狀態(tài)，我們可以驗證這種拓撲結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器

我們常常對轉(zhuǎn)換器進行修改，以在單節(jié)鋰離子(Li-Ion)、堿性及其它應(yīng)用中驅(qū)動高亮度 LED。在這些應(yīng)用中，LED 串的電壓超出了電池或者電源軌電壓。在標(biāo)準升壓配置結(jié)構(gòu)中，利用一個分壓器產(chǎn)生電路的反饋電壓 VFB，從而對輸出電壓 VOUT 進行監(jiān)控。轉(zhuǎn)換器對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，讓 VFB 始終都等于片上參考電壓 VREF。這種拓撲為自適應(yīng)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(zhuǎn)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(dāng)沒有電流流過反饋電阻器 RSET 時，VFB 被下拉至接地。作為響應(yīng)，升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器傳輸函數(shù)表明，當(dāng)轉(zhuǎn)換器接近其最大占空比時，可以產(chǎn)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(zhuǎn)換器：

轉(zhuǎn)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(nèi)部或者外部開關(guān)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(qū)動器高壓升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

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(qū)動器電路

當(dāng)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(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(qū)動后等于內(nèi)部帶隙參考電壓 VREF。因此，輸出保護電流默認為：

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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(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(yīng)至少高于最大負載電壓 2V，但小于升壓轉(zhuǎn)換器的規(guī)定最大輸出電壓。這樣，電路設(shè)計人員便不會經(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：

通過平衡電路保護期間的 LED 電流感應(yīng)誤差和功耗來選擇 RPRO 值。實際上，RPRO 的值應(yīng)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(zhuǎn)換器內(nèi)部誤差放大器的偏置電流 IFB 所引起。方程式 6 是一個經(jīng)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(yīng)用舉例，TI TPS61170 升壓轉(zhuǎn)換器 IC 被配置為一個恒定電流 LED驅(qū)動器。在諸如背光照明或者手電筒等應(yīng)用中，它是驅(qū)動高亮度LED串的理想升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器經(jīng)過配置，用于驅(qū)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(yù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yù)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(yù)計的齊納二極管漏電流，VOUT 約為 10V。

電路的目標(biāo)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(shè)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(shè)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(jié)論

我們?yōu)槟榻B了一種給配置為恒定電流 LED 驅(qū)動器的升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器配置為一個 LED 驅(qū)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(yù)期。