led 驅(qū)動器應用中升壓轉(zhuǎn)換器的簡單開路保護

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1、引言　　驅(qū)動高亮度LED的一種方法是對標準升壓轉(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

2、護狀態(tài)下減少輸出電流?！　〉湫透吡炼萀ED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）、堿性及其它應用中驅(qū)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(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

3、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(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

4、接時損壞負載?！D1無開路保護LED驅(qū)動器高壓升壓轉(zhuǎn)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?！D2有開路保護LED驅(qū)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(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：

5、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閉，所選電壓應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(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

6、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?A,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，TITPS61170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。升壓轉(zhuǎn)換器經(jīng)過配置，用于驅(qū)動3支高亮度白光LED（260mA）。典型參考電壓為1.229V時，將簡化的負載電流用于方程式7中，計算得到RSET:　　電路

7、的目標負載電流為260mA.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?！　榱藴y試保護電路的運行情況，我們使用一個38?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?改變?yōu)?038?,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

8、?！　〗Y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