汽車LED升壓驅(qū)動器電路設(shè)計

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)動器輸出對地短路。

　　異步、升壓、電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣?jīng)常用于LED驅(qū)動器等應(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。這個電感開關(guān)拓?fù)渖闪藢崿F(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)生輸出對地短路的危險，就會產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。限制電流并運行保護(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，需要某種類型的電路保護(hù)，來為遠(yuǎn)程LED供電。接下來將考慮設(shè)計一個多用途、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，我們將通過一個模擬電路來驗證所需的響應(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放大器，經(jīng)常被用來監(jiān)視輸入和輸出電流。圖2顯示的是其典型配置。這個特定器件集成了一個開漏比較器；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控制一個可以在幾毫秒內(nèi)中斷負(fù)載短路的外部MOSFET開關(guān)。除了在輸出上出現(xiàn)故障情況時中斷輸入電流外，模擬輸出還可以解決開關(guān)穩(wěn)壓器的所謂的"負(fù)輸入阻抗"問題，阻止輸入電流隨輸入電壓的減少而增加。

　　通過將輸入電流與輸出電流以邏輯"或"的配置方式相連接，可實現(xiàn)對輸入的鉗制。如圖3中所示，其目的是為了生成一個驅(qū)動PWM控制器的復(fù)合反饋信號。然后，CSM使輸出電流反饋無效，并且強制LED電流在輸入電壓下降到一個預(yù)設(shè)電平以下時減少，從而限制輸入電流。
　

圖3. 輸入限流器依賴感測輸入和輸出電流

電路操作

　　圖4顯示了一個具有輸出短路保護(hù)功能的升壓轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動器的電路實現(xiàn)方式。電路中顯示的Osram Opto Semiconductors Ostar公司生產(chǎn)的LED是一款針對汽車前燈應(yīng)用的器件，實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18V的典型正向電壓。DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器感測反饋引腳上的正向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)。使用一個具有低基準(zhǔn)電壓的升壓轉(zhuǎn)換器能夠更輕松地實現(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)動器電路

　　雖然使用壽命可以長達(dá)50000小時以上，但LED對于溫度和電過應(yīng)力十分敏感，而且它們的動態(tài)阻抗特性經(jīng)常會給開關(guān)穩(wěn)壓器組件的選擇和控制環(huán)路的設(shè)計提出難題。這份操作說明書中對這些選擇和設(shè)計難題進(jìn)行了說明。按照這種方法開發(fā)出了圖4中顯示的電路仿真來分析LED驅(qū)動器/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)測電路運行方式。

　　為這項分析所選擇的PWM控制器具有一個0.26V的反饋基準(zhǔn)電壓。所以，LED電流為1A時，LED感測電阻器的功率耗散只有0.26W。由于CSM具有值為50的增益，就需要一個小很多的感測電阻器來感測輸出電流。當(dāng)流經(jīng)CSM分流電阻器的電流超過CSM感測電阻器設(shè)定的限值時，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。

　　可通過將RESET引腳切換為低電平來復(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影響轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗。為了準(zhǔn)確評估運行方式，我們曾以50ns的最大時間步進(jìn)和設(shè)定為0.001%的直流相對容限運行仿真。此分析在TINA-TI，一款免費的Berkeley SPICE 3f5兼容仿真器中運行。工作頻率300kHz的升壓轉(zhuǎn)換器的5ms仿真在僅僅30秒以內(nèi)即可啟動至穩(wěn)定狀態(tài)。