作者：Kyle Lawrence
高功率LED在現代照明系統中的應用數量不斷激增，涵蓋汽車(chē)前照燈、工業(yè)/商業(yè)標識、建筑照明以及各種消費電子等應用。行業(yè)之所以轉向LED技術(shù)，是因為固態(tài)照明與傳統光源相比具有明顯的優(yōu)勢：電能轉換為光輸出不僅效率高，而且使用壽命長(cháng)。
隨著(zhù)越來(lái)越多的應用采用LED照明，為了提高光輸出，對LED更高電流的需求也日益增長(cháng)。驅動(dòng)大電流LED串的最大挑戰之一是在功率轉換器級保持高效率，從而提供穩定調節的LED電流。功率轉換器效率不高體現為電流調節器電路的開(kāi)關(guān)元件引起的發(fā)熱現象。
LT3762 是一款同步升壓型LED控制器，旨在減少高功率升壓型LED驅動(dòng)器系統中常見(jiàn)的效率損耗源。該器件的同步運行可最大限度地減少異步DC-DC轉換器中箝位二極管的正向壓降通常會(huì )產(chǎn)生的損耗。這一效率提升使LT3762能夠提供比類(lèi)似異步升壓型LED驅動(dòng)器更高的輸出電流，特別是在低輸入電壓時(shí)。為了改善低輸入電壓時(shí)的工作性能，通過(guò)配置一個(gè)板載DC-DC穩壓器，即使輸入電壓降至7.5 V以下，也能為柵極驅動(dòng)電路提供7.5 V的電壓。在低輸入電壓條件下提供強大的柵極驅動(dòng)電壓源，使得MOSFET在輸入電壓降低時(shí)產(chǎn)生較少的熱量，從而使工作電壓輸入范圍最低達3 V。
圖1. LT3762演示電路(DC2342A)可在寬輸入電壓范圍內以2 A（最高32 V）驅動(dòng)LED。通過(guò)額外的MOSFET和電容可輕松修改該演示電路，以提高輸出功率。
該款升壓型LED控制器可配置為在100 kHz至1 MHz固定開(kāi)關(guān)頻率之間工作，提供−30% × fSW展頻調制選項，以降低與開(kāi)關(guān)相關(guān)的EMI能量峰值。LT3762可采用升壓、降壓或升壓/降壓拓撲驅動(dòng)LED。高端PMOS斷開(kāi)開(kāi)關(guān)有助于PWM調光，并在LED處于開(kāi)路/短路狀態(tài)時(shí)保護器件免受潛在損害。
LT3762采用內部PWM發(fā)生器，利用單個(gè)電容和一個(gè)直流電壓來(lái)設置頻率和脈沖寬度，以實(shí)現高達250:1的PWM調光比，也可使用外部PWM信號實(shí)現高達3000:1的調光比。圖2中的原理圖顯示使用LT3762的演示電路應用(DC2342A)，其中LT3762配置為在4 V至28 V的輸入電壓范圍內以2 A（最高32 V）驅動(dòng)LED。LT3762同步升壓型LED控制器采用4 mm × 5 mm QFN封裝和28引腳TSSOP封裝。
圖2. 32 V、2 A LT3762升壓型LED驅動(dòng)器。
同步開(kāi)關(guān)
在異步DC-DC轉換器拓撲中，肖特基箝位二極管用作無(wú)源開(kāi)關(guān)，以簡(jiǎn)化轉換器對單個(gè)MOSFET進(jìn)行脈沖寬度調制的控制方案。雖然這確實(shí)簡(jiǎn)化了控制，但它限制了輸出電流的大小。肖特基二極管與PN結器件一樣，在任何電流通過(guò)器件之前都會(huì )具有正向壓降。由于肖特基二極管的功耗是其正向壓降與電流的乘積，因此輸出電流水平過(guò)高將產(chǎn)生數瓦的導通功耗，從而使肖特基二極管升溫，最終導致轉換器效率降低。
LT3762同步開(kāi)關(guān)轉換器與異步轉換器不同，不會(huì )有輸出電流受限的情況，這是因為同步轉換器采用第二MOSFET代替肖特基二極管。MOSFET與肖特基二極管不同，它沒(méi)有正向壓降。相反，當MOSFET處于完全增強狀態(tài)時(shí)，其漏極到源極間的電阻非常小。在大電流下，MOSFET產(chǎn)生的導通損耗遠低于肖特基二極管，因為功耗與漏源電阻的平方和通過(guò)器件的電流的乘積成正比。即使在最低7 V的全功率輸入電壓下，MOSFET也只會(huì )面臨大約30°C的溫升（如圖3所示）。
圖3. 在相同測試條件下，選用類(lèi)似的元件，同步LT3762（左圖）驅動(dòng)2 A、32 V的LED串，其溫升遠低于異步LT3755-2電路（右圖）。這種熱性能的提高歸功于以同步MOSFET代替肖特基箝位二極管，從而可消除二極管正向壓降引起的損耗。
低輸入電壓工作
高功率升壓型LED控制器的另一個(gè)挑戰發(fā)生在低輸入電壓工作期間。大多數升壓型DC-DC穩壓器IC使用由器件輸入端供電的內部LDO穩壓器，為IC中的模擬和數字控制電路提供較低的電壓電源。在從內部LDO穩壓器獲取電源的電路中，柵極驅動(dòng)器消耗的功率最大，并且它的性能受LDO穩壓器輸出波動(dòng)的影響。當輸入電壓降至LDO的輸出電壓以下時(shí)，LDO輸出開(kāi)始驟降，這將限制柵極驅動(dòng)器正常增強MOSFET的能力。當MOSFET處于未完全增強狀態(tài)時(shí)，它們工作于較高電阻狀態(tài)，因此當電流通過(guò)器件時(shí)會(huì )以熱量形式耗散功率。
升壓轉換器拓撲中的低輸入電壓工作特性將導致輸入電流較高，當該電流必須流過(guò)電阻更大的MOSFET器件時(shí)，會(huì )加劇導通損耗。根據穩壓器IC的柵極驅動(dòng)電壓，這會(huì )嚴重限制器件可實(shí)現且不發(fā)生過(guò)熱的低輸入電壓范圍。
LT3762采用集成式降壓-升壓型DC-DC穩壓器，而非LDO穩壓器，即使輸入電壓很低時(shí)，也可為內部電路提供7.5 V的電壓。該降壓-升壓型穩壓器僅占用LT3762 IC的三個(gè)引腳，只需兩個(gè)額外元件。與具有4.5 V和6 V最小輸入電壓的內部LDO控制器器件相比，LT3762能夠將輸入電壓工作范圍下限擴展至3 V。降壓-升壓型轉換器的7.5 V輸出可為柵極驅動(dòng)器提供電源，并允許使用6 V/7 V柵極驅動(dòng)MOSFET。MOSFET的柵極驅動(dòng)電壓越高，往往漏源電阻就越低，并且與柵極驅動(dòng)電壓較低的類(lèi)似器件相比，（除開(kāi)關(guān)損耗以外）工作效率更高。
圖4. 32 V、2 A LT3762 LED驅動(dòng)器可在寬輸入范圍內保持高效率。低VIN折 返有助于避免過(guò)大的開(kāi)關(guān)/電感電流。異步開(kāi)關(guān)以24 V輸入電壓?jiǎn)?dòng)。
靈活的拓撲
與ADI公司大多數其他升壓型LED驅動(dòng)器一樣，LT3762驅動(dòng)LED的模式可重新配置，既可采用升壓配置，也可采用降壓、升壓-降壓和降壓-升壓模式。在這些升壓型轉換器的拓撲變體中，利用ADI公司獲得專(zhuān)利的升壓-降壓模式配置可作為升壓/降壓型轉換器工作，同時(shí)還具有低EMI工作的優(yōu)勢。該拓撲利用兩個(gè)電感，一個(gè)面向輸入，另一個(gè)則面向輸出，幫助濾除開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的噪聲。這兩個(gè)電感有助于抑制耦合到輸入電源、可能連接的其他器件以及LED負載的EMI。
還可在升壓-降壓模式的拓撲中添加額外電路，以提供LED–節點(diǎn)到GND的短路保護。圖5中的原理圖顯示LT3762采用升壓-降壓模式配置，并增加了該保護電路。當LED–短路到GND時(shí)，會(huì )強制關(guān)閉M4，以阻斷經(jīng)過(guò)電感到輸入的導通路徑并防止過(guò)度消耗電流。強制關(guān)閉M4時(shí)，D3將EN/UVLO引腳拉至低電平，從而在消除短路前阻止轉換器開(kāi)關(guān)。將這一額外保護電路與LT3762的內置開(kāi)路/短路檢測結合使用，就能獲得一個(gè)能夠應對惡劣環(huán)境中各種故障狀況的強健解決方案。
圖5. LT3762采用25 V、1.5 A升壓-降壓配置，帶有額外的LED–至GND的短路保護。
結論
異步升壓型轉換器正常工作時(shí)，通常很難避免在提供高輸出電流時(shí)，不會(huì )產(chǎn)生大量的功率損失并造成箝位二極管發(fā)熱。除了肖特基二極管產(chǎn)生的損耗之外，這些轉換器在輸入電壓降低時(shí)難以保持最大功率輸出能力，這限制了輸入范圍內的功率輸出。異步DC-DC轉換器根本無(wú)法適用于更高功率水平，因此必須采用同步開(kāi)關(guān)方案以滿(mǎn)足應用規格要求。LT3762升壓型LED控制器通過(guò)其同步開(kāi)關(guān)解決了提供大電流輸出的問(wèn)題，由于采用了板載DC-DC轉換器，它能夠在更低的輸入電壓下工作，并且可靈活采用各種電路拓撲。
作者
Kyle Lawrence是ADI公司的應用工程師。他負責設計和測試各種DC-DC轉換器，包括針對低EMI汽車(chē)應用的4開(kāi)關(guān)升降壓穩壓器和LED驅動(dòng)器。他2014年畢業(yè)于加州大學(xué)圣克魯茲分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。.
