非同步、升壓、電源轉換拓撲經(jīng)常用于LED驅動(dòng)器等應用中。在這些應用中，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(kāi)關(guān)拓撲生成了實(shí)現LED電流調節所必要的依從電壓，并且通常用于LCD背光應用中。例如在遠離駕駛員的汽車(chē)內部和外部照明等LED矩陣應用中，一旦發(fā)生輸出對地短路的危險，就會(huì )產(chǎn)生災難性的后果。限制電流并運行保護電路作為電子斷路器能夠防止這些災難性的故障。

如圖1所示，升壓轉換器的輸入通過(guò)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，其中包括脈寬調制 (PWM)控制器。很明顯，在使用中這種拓撲時(shí)，需要某種類(lèi)型的電路保護，來(lái)為遠程LED供電。接下來(lái)將考慮設計一個(gè)多用途、低成本電路，此電路可被優(yōu)化為保護升壓轉換器，并防止輸入端出現短路負載情況。此外，我們將通過(guò)一個(gè)模擬電路來(lái)驗證所需的響應。

圖1. 基于非隔離式升壓拓撲的LED驅動(dòng)器電路

電流限制器和電子斷路器

分流監視器(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(lái)監視輸入和輸出電流。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(kāi)漏比較器；此比較器可被設定為在預先設置的線(xiàn)路電流上跳變、鎖存和復位。

圖.2. 一個(gè)分流監視器組件增加了保護功能

此比較器的輸出可被用來(lái)控制一個(gè)可以在幾毫秒內中斷負載短路的外部MOSFET開(kāi)關(guān)。除了在輸出上出現故障情況時(shí)中斷輸入電流外，模擬輸出還可以解決開(kāi)關(guān)穩壓器的所謂的“負輸入阻抗”問(wèn)題，阻止輸入電流隨輸入電壓的減少而增加。

通過(guò)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)現對輸入的鉗制。如圖3中所示，其目的是為了生成一個(gè)驅動(dòng)PWM控制器的復合反饋信號。然后，CSM使輸出電流反饋無(wú)效，并且強制LED電流在輸入電壓下降到一個(gè)預設電平以下時(shí)減少，從而限制輸入電流。

圖 3. 輸入限流器依賴(lài)感測輸入和輸出電流

電路操作

圖4顯示了一個(gè)具有輸出短路保護功能的升壓轉換器LED驅動(dòng)器的電路實(shí)現方式。電路中顯示的Osram Opto Semiconductors Ostar公司生產(chǎn)的LED是一款針對汽車(chē)前燈應用的器件，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10μs），以及電流為1A時(shí)18V的典型正向電壓。DC/DC升壓轉換器感測反饋引腳上的正向LED電流，并且充分調整輸出電壓，以調節LED電流。LED電流由感測電阻器(RSNS)設定，它的值與PWM轉換器的內部帶隙基準成比例(RSNS=VREF/ILED)。使用一個(gè)具有低基準電壓的升壓轉換器能夠更輕松地實(shí)現較高的轉換器效率，并減少組件熱應力。

圖4. 具有短接負載故障保護功能的LED升壓驅動(dòng)器電路

雖然使用壽命可以長(cháng)達50000小時(shí)以上，但LED對于溫度和電過(guò)應力十分敏感，而且它們的動(dòng)態(tài)阻抗特性經(jīng)常會(huì )給開(kāi)關(guān)穩壓器組件的選擇和控制環(huán)路的設計提出難題。這份操作說(shuō)明書(shū)中對這些選擇和設計難題進(jìn)行了說(shuō)明。按照這種方法開(kāi)發(fā)出了圖4中顯示的電路仿真來(lái)分析LED驅動(dòng)器/保護電路的復雜程度，并在各種不同的工作條件下預測電路運行方式。
為這項分析所選擇的PWM控制器具有一個(gè)0.26V的反饋基準電壓。所以，LED電流為1A時(shí)，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(gè)小很多的感測電阻器來(lái)感測輸出電流。當流經(jīng)CSM分流電阻器的電流超過(guò)CSM感測電阻器設定的限值時(shí)，CSM增益和比較器閥值(R,R)，PMOS導通晶體管中斷負載電流—從而發(fā)揮電子斷路器的作用。

可通過(guò)將RESET引腳切換為低電平來(lái)復位鎖存輸出。然而，考慮到這篇文章的目的，RESET已經(jīng)被禁用，以檢驗響應速度。響應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 )影響轉換器的輸出阻抗。為了準確評估運行方式，我們曾以50ns的最大時(shí)間步進(jìn)和設定為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的升壓轉換器的5ms仿真在僅僅30秒以?xún)燃纯蓡��?dòng)至穩定狀態(tài)。

將CSM放置在何處

CSM可被放置在升壓轉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(guò)與輸出PMOS導通元件(T5)相并聯(lián)的10mΩ分流電阻器來(lái)感測電流。根據CSM的放置位置，此電路可以防止內部和/或外部短路情況。然而，CSM必須被設計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(kāi)升壓電感器，并且有助于加快對短路情況的反應時(shí)間。無(wú)論將CSM放置在何處，都應該使用一個(gè)RC濾波器來(lái)衰減那些會(huì )由于分流電阻器的突然di/dt事件而出現的噪聲和諧振振鈴。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面影響，保持濾波器的低值很重要。

模擬結果

圖5展示了模擬結果。Vg是到PMOS FET的控制電壓，并在正常情況下被設定為-6V。需要根據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)反應時(shí)間，并且應該選擇上拉電阻器來(lái)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（藍色）MOSFET顯示。

圖5. 標準有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將在物理樓宇系統和樓宇管理設備之間承載傳遞相對簡(jiǎn)單的命令和數據

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(jiàn)電流。選擇MOSFET和柵極驅動(dòng)電路來(lái)實(shí)現最優(yōu)響應是十分重要的設計考慮，這是因為這種設計限制了di/dt，并且滿(mǎn)足了MOSFET安全運行要求。這些復雜的設計考慮在分析起來(lái)可不那么容易；因此，最好在在工作臺上對它們進(jìn)行模擬和確認。

在某些諸如Tektronix產(chǎn)品的某些示波器上提供專(zhuān)門(mén)的測試軟件來(lái)計算相對于MOSFET安全運行曲線(xiàn)的開(kāi)關(guān)功率損耗。本次模擬建議響應持續時(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，并且能夠實(shí)現少于250ns的中斷時(shí)間。這些器件針對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，也在多變的負載條件下限制升壓轉換器LED驅動(dòng)器的輸入/輸出電流。該電路經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以適合于汽車(chē)LED前燈驅動(dòng)器應用。我們證明了實(shí)現最優(yōu)電路響應時(shí)間需要仔細的分析和組件選擇。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行狀態(tài)。

提供的專(zhuān)業(yè)化可熱插拔控制器具有專(zhuān)門(mén)的特性和優(yōu)化的性能，在設計時(shí)應該將它們考慮在內。在任何一種情況下，當執行一個(gè)電路來(lái)中斷或限制電源時(shí)有必要進(jìn)行仔細分析。為L(cháng)ED驅動(dòng)器設計一個(gè)穩健耐用的保護電路是一項復雜的工作，而諸如TINA-TI，SPICE和WEBENCH等軟件工具能夠在加快分析和設計方面提供幫助。