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降壓調節器變身智能可調光LED驅動(dòng)器

文章來(lái)源：更新時(shí)間：2013/8/13 9:34:00

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憑借使用壽命長(cháng)和功耗低的優(yōu)勢，LED有望改變整個(gè)照明行業(yè)，但它的快速采用面臨的主要障礙是LED本身的成本居高不下。LED燈具（完整電力照明設備）的成本各不相同，但LED的成本通常占據了整個(gè)燈具成本的大約25%至40%，而且預期在今后多年內仍會(huì )占據很高比例（圖1）。

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圖1. LED燈具成本的細分¹

降低整體燈具成本的一種方法是在產(chǎn)品規格允許的范圍內，在可能最高的直流電流下驅動(dòng)LED。此電流可能遠高于其“分檔電流”。如果正常驅動(dòng)，這樣可能產(chǎn)生更高的流明/成本比率。

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圖2. LED光輸出和效率與驅動(dòng)電流²

但是，這種做法需要更高電流驅動(dòng)器。很多解決方案在低電流下(<500mA)驅動(dòng)LED，但很少有高電流（700mA至4A）的選擇方案。這一現象似乎令人驚訝，因為半導體行業(yè)有大量的容量達到4A的DC-DC解決方案，但它們的設計目的是控制電壓，而不是控制LED電流。本文將探討將現成DC-DC降壓穩壓器轉換為智能LED驅動(dòng)器的一些簡(jiǎn)單技巧。

降壓穩壓器對輸入電壓進(jìn)行斬波，并通過(guò)LC濾波器傳送，以提供穩定的輸出，如圖3所示。它使用兩個(gè)有源元件和兩個(gè)無(wú)源元件。有源元件是從輸入到電感的開(kāi)關(guān)“A”，以及從地面到電感的開(kāi)關(guān)（或二極管）“B”。無(wú)源元件是電感(L)和輸出電容(COUT)它們形成LC濾波器，可以減小由有源元件產(chǎn)生的紋波。

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圖3. 基本降壓方案³

如果開(kāi)關(guān)是內部的，則降壓器稱(chēng)為穩壓器,如果開(kāi)關(guān)是外部的，則稱(chēng)為控制器。如果兩個(gè)開(kāi)關(guān)都是晶體管（MOSFET或BJT），則它是同步的，如果底部的開(kāi)關(guān)是使用二極管實(shí)施的，則它是異步的。這些類(lèi)型的降壓電路各有優(yōu)劣，但同步降壓穩壓器通�？梢�?xún)?yōu)化效率、器件數量、解決方案成本和電路板面積。遺憾的是，用于驅動(dòng)高電流LED（高達4A）的同步降壓穩壓器很少，而且成本昂貴。本文以ADP2384為例，展示如何修改標準同步降壓穩壓器的連接以調節LED電流。

ADP2384高效同步降壓穩壓器指定最高4 A的輸出電流，具有最高20 V的輸入電壓。圖4顯示了用于調節輸出電壓的正常連接。

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圖4. 連接用于調節輸出電壓的ADP2384

在工作中，經(jīng)過(guò)分壓的輸出電壓連接到FB引腳，與內部600 mV基準進(jìn)行比較，用于生成開(kāi)關(guān)的適當占空比。在穩態(tài)下，FB引腳保持在600 mV，因此V_OUT調節至600 mV乘以分頻比。如果上方的電阻被LED取代（圖5），則輸出電壓必須是需要的任何值（在額定值范圍內），將FB維持在600 mV；因此，通過(guò)LED的電流被控制在600 mV/R_SENSE。

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圖5. 基本（但不高效的LED驅動(dòng)器

當從FB到地面的精密電阻設置LED電流時(shí)，此電路使用效果很好，但電阻消耗了很多功率： P = 600 mV × I_LED對于低LED電流，這不是大問(wèn)題，但在高LED電流下，低效率會(huì )大幅增加燈具散發(fā)的熱量(600 mV × 4 A = 2.4 W)。降低FB基準電壓可以成比例降低功耗，但大多數DC-DC穩壓器沒(méi)有調節此基準的方式。幸運的是，兩個(gè)技巧可降低大多數降壓穩壓器的基準電壓：使用SS/TRK引腳—或偏移R_SENSE電壓。

很多通用降壓IC包括軟啟動(dòng)(SS)或跟蹤(TRK)引腳。SS引腳可緩慢增加啟動(dòng)時(shí)的開(kāi)關(guān)占空比，從而最大程度地減小啟動(dòng)瞬變。TRK引腳讓降壓穩壓器能夠遵循獨立電壓。這些功能通常結合到單個(gè)SS/TRK引腳上。大多數情況下，誤差放大器將SS、TRK和FB電壓中的最小值與基準進(jìn)行比較，如圖6所示。

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圖6. 使用ADP2384的軟啟動(dòng)引腳工作

對于燈具應用，將SS/TRK引腳設置為固定電壓，并將其用作新的FB基準。恒壓分壓器充當基準電壓源非常有效。例如，很多降壓穩壓器IC包括受控低壓輸出—如ADP2384上的V_REG引腳。為了達到更高精度，可以使用簡(jiǎn)單的2引腳外部精密基準電壓源，例如ADR5040。在任何情況下，從該電源到SS/TRK引腳的電阻分壓器形成新的基準電壓源。將此電壓設置在100 mV和200 mV之間，通�？梢蕴峁┕暮蚅ED電流精度之間的最佳平衡。用戶(hù)選擇的基準電壓的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是R_SENSE可以選擇方便的標準值，從而避免指定或分配任意精密電阻值來(lái)設置LED電流的開(kāi)支和不精確性。

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圖7. 使用SS/TRK引腳以降低FB基準電壓

使用SS或TRK引腳方法并非對于所有降壓穩壓器都是可行的，因為有些IC沒(méi)有這些引腳。另外，對于某些降壓IC，SS引腳會(huì )改變峰值電感電流，而不是FB基準，因此必須仔細查看產(chǎn)品數據手冊。作為一種替代方法，可以產(chǎn)生R_SENSE電壓偏移。例如，精密電壓源和R_SENSE之間的電阻分壓器提供從R_SENSE到FB引腳的相當恒定的偏移電壓（圖8）。

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圖8. 產(chǎn)生R_SENSE電壓偏移

電阻分壓器的必需值可以使用公式1計算，其中V_SUP是輔助調節電壓， F_BREF(NEW)是R_SENSE兩端的目標電壓。

因此，可使用以下公式獲取150 mV的有效反饋基準，其中R2 = 1 kΩ，V_SUP= 5 V:

LED電流為：

這種方法不需要SS或TRK引腳。FB引腳仍然調節至600 mV（但R_SENSE的電壓調節至F_BREF(NEW)）。這意味著(zhù)芯片的其他功能（包括軟啟動(dòng)、跟蹤和電源良好指示）仍將正常運行。

這種方法的缺點(diǎn)是R_SENSE和FB之間的偏移受到電源精度的嚴重影響。使用ADR5040等精密基準電壓源可能是理想的，但不太精確的±5%基準容差可能在LED電流上產(chǎn)生±12%的變化。表1顯示了比較結果：

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表1. SS/TRK和偏移R_SENSE的比較¹

^{精確電流調節的另一個(gè)關(guān)鍵是適當布局連接至檢測電阻。4引腳檢測電阻是理想之選，但可能成本比較昂貴。借助良好的布局技術(shù)，我們可以使用傳統的2引腳電阻實(shí)現高精度，如圖9所示。⁴

圖9.R_SENSE的建議PCB走線(xiàn)路徑

除調節之外的功能

使用現成的降壓穩壓器調節LED電流非常簡(jiǎn)單。此處的示例采用了ADP2384。更加詳盡的論文還包括使用 ADP2441的示例，該器件的引腳較少，具有36 V輸入電壓范圍。該文顯示了一些示例，展示如何實(shí)施專(zhuān)用LED降壓穩壓器提供的很多“智能”功能，例如LED短路/開(kāi)路故障保護、R_SENSE開(kāi)路/短路故障保護、PWM調光、模擬調光和電流折返熱保護。我們在本文中將使用上例中的ADP2384，討論PWM和模擬調光、電流折返。

使用PWM和模擬控制進(jìn)行調光

“智能”LED驅動(dòng)器的一個(gè)關(guān)鍵要求是使用調光制來(lái)調節LED亮度，采用以下兩種方法之一：PWM和模擬。PWM調光通過(guò)調節脈沖占空比來(lái)控制LED電流。如果頻率高于120 Hz，人眼會(huì )均衡這些脈沖，以產(chǎn)生可感知的平均光度。模擬調光可在恒定直流值下調節LED電流。

可通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉與R_SENSE串聯(lián)插入的NMOS開(kāi)關(guān)，實(shí)施PWM調光。這些電流水平可能需要功率器件，但添加功率器件會(huì )抵消通過(guò)使用包含自身電源開(kāi)關(guān)的降壓穩壓器獲得的大小和成本益處�；蛘�，可以通過(guò)快速打開(kāi)和關(guān)閉穩壓器來(lái)執行PWM調光。在低PWM頻率下(<1 kHz)，這樣仍然可以提供良好的精度（圖10）。

圖10. ADP2384 PWM調光線(xiàn)性度—200 Hz下的輸出電流與占空比

與所有通用降壓穩壓器相同，ADP2384沒(méi)有針腳來(lái)應用PWM調光輸入，但可以操控FB引腳以啟用和禁用開(kāi)關(guān)。如果FB變?yōu)楦唠娖�，則誤差放大器變?yōu)榈碗娖�，降壓開(kāi)關(guān)停止。如果FB重新連接到R_SENSE則它將恢復正常調節。這可以通過(guò)低電流NMOS晶體管或通用二極管實(shí)現。在圖11中，高PWM信號將R_SENSE連接到FB，實(shí)現LED調節。低PWM信號關(guān)閉NMOS，有一個(gè)上拉電阻將FB電平變?yōu)楦唠娖健?

圖11. 使用ADP2384進(jìn)行PWM調光

雖然PWM調光非常流行，但有時(shí)我們需要無(wú)噪聲的“模擬”調光。模擬調光只是調節恒定LED電流，而PWM調光則進(jìn)行斬波。如果使用兩個(gè)調光輸入，則需要模擬調光，因為多個(gè)PWM調光信號可能產(chǎn)生拍頻，導致閃爍或聲頻噪聲。但是，可將PWM用于一個(gè)調光控制，而將模擬用于另一個(gè)調光控制。使用通用降壓穩壓器，實(shí)施模擬調光的最簡(jiǎn)單方法是通過(guò)調節FB基準電路的電源，控制FB基準，如圖12所示。

圖12. 模擬調光電路

熱折返

由于LED的使用壽命在很大程度上取決于其工作結溫，有時(shí)必須監控LED溫度，如果溫度過(guò)高，必須做出響應。導致異常高溫的原因可能是散熱器連接不當、周邊溫度過(guò)熱或其他一些極端條件。常見(jiàn)解決方案是在當溫度超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)減小LED電流（圖13）。這稱(chēng)為L(cháng)ED 熱折返。

圖13. 需要的LED熱折返曲線(xiàn)

在這種類(lèi)型的調光中，LED保持在滿(mǎn)載電流，直至到達溫度閾值(T1)，在這個(gè)閾值之上，LED電流隨溫度升高開(kāi)始降低。這樣可以限制LED的結溫，保持它們的使用壽命。低成本NTC（負溫度系數）電阻通常用于測量LED的散熱器溫度。通過(guò)對模擬調光方案進(jìn)行細微修改，NTC的溫度可以輕松控制LED電流。如果SS/TRK引腳用于控制FB基準，則可以使用一種簡(jiǎn)單方法，將NTC與基準電壓并聯(lián)放置（圖14）。

圖14. 使用SS/TRK的LED熱折返

隨著(zhù)散熱器溫度升高，NTC電阻下降。NTC形成R3的電阻分壓器。如果分壓器的電壓高于基準電壓，則輸出最大電流；如果NTC電阻電壓降低到基準電壓之下，然后降低到FB基準電壓之下，則LED電流開(kāi)始下降。

結論

這些技巧應該作為使用標準降壓穩壓器實(shí)施全面LED功能的一般指導準則。但是，由于這些功能有一點(diǎn)超出降壓IC的目標應用范圍，因此您最好聯(lián)系半導體制造商，確認IC能夠處理這些工作模式。}