作者 John Rice 德州儀器 (TI) 電源系統(tǒng)工程師

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。

非同步、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)，來為遠(yuǎn)程LED供電。接下來將考慮設(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，我們將通過一個(gè)模擬電路來驗(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(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達(dá)50000小時(shí)以上，但LED對(duì)于溫度和電過應(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。這份操作說明書中對(duì)這些選擇和設(shè)計(jì)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(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)電阻器來感測(cè)輸出電流。當(dāng)流經(jīng)CSM分流電阻器的電流超過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(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)。

將CSM放置在何處

CSM可被放置在升壓轉(zhuǎn)換器的輸入或輸出上。在這個(gè)模擬中，CSM被放置在輸出上，它通過與輸出PMOS導(dǎo)通元件 (T5) 相并聯(lián)的10 mΩ分流電阻器來感測(cè)電流。根據(jù)CSM的放置位置，此電路可以防止內(nèi)部和/或外部短路情況。然而，CSM必須被設(shè)計(jì)成在所有工作條件下均具有足夠共模范圍 (CMR)。

如果放置在升壓轉(zhuǎn)換器的輸入上，可選擇具有較低CMR的CSM。然而，將CSM放置在輸出上可以避開升壓電感器，并且有助于加快對(duì)短路情況的反應(yīng)時(shí)間。無論將CSM放置在何處，都應(yīng)該使用一個(gè)RC濾波器來衰減那些會(huì)由于分流電阻器的突然di/dt事件而出現(xiàn)的噪聲和諧振振鈴。一個(gè)小型100電阻器和差分電容器可被置入比估計(jì)的分流器Lp/R時(shí)間常量大3倍的時(shí)間常量，其中Lp是寄生并聯(lián)電感。由于CSM的增益誤差和帶寬受到噪聲濾波器的負(fù)面影響，保持濾波器的低值很重要。

模擬結(jié)果

圖5展示了模擬結(jié)果。Vg是到PMOS FET的控制電壓，并在正常情況下被設(shè)定為-6V。需要根據(jù)FET的閥值電壓、柵極電荷、和飽和特性進(jìn)行優(yōu)化。最大限度地減小柵極上的電壓可以改進(jìn)反應(yīng)時(shí)間，并且應(yīng)該選擇上拉電阻器來盡可能地縮短中斷周期。需要注意的是，輸入電流和柵極電壓用高柵極電荷（紫色），和低柵極電荷（藍(lán)色）MOSFET顯示。

圖5. 標(biāo)準(zhǔn)有線和無線網(wǎng)絡(luò)將在物理樓宇系統(tǒng)和樓宇管理設(shè)備之間承載傳遞相對(duì)簡單的命令和數(shù)據(jù)

很明顯，較低柵極電荷器件最大限度地減少了輸入上的可見電流。選擇MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)響應(yīng)是十分重要的設(shè)計(jì)考慮，這是因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)限制了di/dt，并且滿足了MOSFET安全運(yùn)行要求。這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)考慮在分析起來可不那么容易；因此，最好在在工作臺(tái)上對(duì)它們進(jìn)行模擬和確認(rèn)。

在某些諸如Tektronix產(chǎn)品的某些示波器上提供專門的測(cè)試軟件來計(jì)算相對(duì)于MOSFET安全運(yùn)行曲線的開關(guān)功率損耗。本次模擬建議響應(yīng)持續(xù)時(shí)間少于2μs，這在電流被中斷前可獲得少于6A的輸入電流。中斷FET的選擇將影響峰值輸入和輸出電流。驅(qū)動(dòng)高端NMOS器件的高性能、可熱插拔控制器是另外一個(gè)選擇，并且能夠?qū)崿F(xiàn)少于250ns的中斷時(shí)間。這些器件針對(duì)背板熱插拔卡插入進(jìn)行了優(yōu)化，但是可以提供一個(gè)性能比這里展示的解決方案更高的解決方案。

避免的故障

此電路展示并模仿了中斷情景，也在多變的負(fù)載條件下限制升壓轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動(dòng)器的輸入/輸出電流。該電路經(jīng)過優(yōu)化可以適合于汽車LED前燈驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。我們證明了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電路響應(yīng)時(shí)間需要仔細(xì)的分析和組件選擇。將這些靈敏性集成到一個(gè)綜合性時(shí)域電路模擬中有助于理解不同工作條件和組件選擇情況下的電路運(yùn)行狀態(tài)。

提供的專業(yè)化可熱插拔控制器具有專門的特性和優(yōu)化的性能，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該將它們考慮在內(nèi)。在任何一種情況下，當(dāng)執(zhí)行一個(gè)電路來中斷或限制電源時(shí)有必要進(jìn)行仔細(xì)分析。為LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)健耐用的保護(hù)電路是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，而諸如TINA-TI，SPICE和WEBENCH等軟件工具能夠在加快分析和設(shè)計(jì)方面提供幫助。