降壓調(diào)節(jié)器變身智能可調(diào)光LED驅(qū)動器

憑借使用壽命長和功耗低的優(yōu)勢，LED有望改變整個照明行業(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(shè)備)的成本各不相同，但LED的成本通常占據(jù)了整個燈具成本的大約25%至40%,而且預(yù)期在今后多年內(nèi)仍會占據(jù)很高比例(圖1)。

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(guī)格允許的范圍內(nèi)，在可能最高的直流電流下驅(qū)動LED.此電流可能遠高于其“分檔電流”.如果正常驅(qū)動，這樣可能產(chǎn)生更高的流明/成本比率。

圖2. LED光輸出和效率與驅(qū)動電流2

但是，這種做法需要更高電流驅(qū)動器。很多解決方案在低電流下(<500mA)驅(qū)動LED,但很少有高電流(700mA至4A)的選擇方案。這一現(xiàn)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(shè)計目的是控制 電壓， 而不是控制LED電流。本文將探討將現(xiàn)成DC-DC降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為智能LED驅(qū)動器的一些簡單技巧。

降壓穩(wěn)壓器對輸入電壓進行斬波，并通過LC濾波器傳送，以提供穩(wěn)定的輸出，如圖3所示。它使用兩個有源元件和兩個無源元件。有源元件是從輸入到電感的開關(guān)“A”,以及從地面到電感的開關(guān)(或二極管)“B”.無源元件是電感(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。

圖3. 基本降壓方案

如果開關(guān)是內(nèi)部的，則降壓器稱為穩(wěn)壓器，如果開關(guān)是外部的，則稱為控制器。如果兩個開關(guān)都是晶體管(MOSFET或BJT)，則它是同步的，如果底部的開關(guān)是使用二極管實施的，則它是異步的。這些類型的降壓電路各有優(yōu)劣，但同步降壓穩(wěn)壓器通?？梢詢?yōu)化效率、器件數(shù)量、解決方案成本和電路板面積。遺憾的是，用于驅(qū)動高電流LED(高達4A)的同步降壓穩(wěn)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(wěn)壓器的連接以調(diào)節(jié)LED電流。

ADP2384高效同步降壓穩(wěn)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(diào)節(jié)輸出電壓的正常連接。

圖4. 連接用于調(diào)節(jié)輸出電壓的ADP2384

在工作中，經(jīng)過分壓的輸出電壓連接到FB引腳，與內(nèi)部600 mV基準進行比較，用于生成開關(guān)的適當占空比。在穩(wěn)態(tài)下，F(xiàn)B引腳保持在600 mV,因此VOUT調(diào)節(jié)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(nèi))，將FB維持在600 mV;因此，通過LED的電流被控制在600 mV/RSENSE.

圖5. 基本(但不高效的LED驅(qū)動器

當從FB到地面的精密電阻設(shè)置LED電流時，此電路使用效果很好，但電阻消耗了很多功率： P = 600 mV × ILED對于低LED電流，這不是大問題，但在高LED電流下，低效率會大幅增加燈具散發(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(shù)DC-DC穩(wěn)壓器沒有調(diào)節(jié)此基準的方式。幸運的是，兩個技巧可降低大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器的基準電壓：使用SS/TRK引腳-或偏移RSENSE電壓。

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

圖6. 使用ADP2384的軟啟動引腳工作

對于燈具應(yīng)用，將SS/TRK引腳設(shè)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(wěn)壓器IC包括受控低壓輸出-如ADP2384上的VREG引腳。為了達到更高精度，可以使用簡單的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(shè)置在100 mV和200 mV之間，通常可以提供功耗和LED電流精度之間的最佳平衡。用戶選擇的基準電壓的另一個優(yōu)點是RSENSE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設(shè)置LED電流的開支和不精確性。

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(wěn)壓器都是可行的，因為有些IC沒有這些引腳。另外，對于某些降壓IC,SS引腳會改變峰值電感電流，而不是FB基準，因此必須仔細查看產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊。作為一種替代方法，可以產(chǎn)生RSENSE電壓偏移。例如，精密電壓源和RSENSE之間的電阻分壓器提供從RSENSE到FB引腳的相當恒定的偏移電壓(圖8)。

圖8. 產(chǎn)生RSENSE電壓偏移

電阻分壓器的必需值可以使用公式1計算，其中VSUP是輔助調(diào)節(jié)電壓， FBREF(NEW)是RSENSE兩端的目標電壓。[!--empirenews.page--]

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，VSUP= 5 V:

LED電流為：

這種方法不需要SS或TRK引腳。FB引腳仍然調(diào)節(jié)至600 mV(但RSENSE的電壓調(diào)節(jié)至FBREF(NEW))。這意味著芯片的其他功能(包括軟啟動、跟蹤和電源良好指示)仍將正常運行。

這種方法的缺點是RSENSE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(jié)果：

表1. SS/TRK和偏移RSENSE的比較

精確電流調(diào)節(jié)的另一個關(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(tǒng)的2引腳電阻實現(xiàn)高精度，如圖9所示。4

圖9.RSENSE的建議PCB走線路徑

除調(diào)節(jié)之外的功能

使用現(xiàn)成的降壓穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)LED電流非常簡單。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，展示如何實施專用LED降壓穩(wěn)壓器提供的很多“智能”功能，例如LED短路/開路故障保護、RSENSE開路/短路故障保護、PWM調(diào)光、模擬調(diào)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(diào)光、電流折返。

使用PWM和模擬控制進行調(diào)光

“智能”LED驅(qū)動器的一個關(guān)鍵要求是使用 調(diào)光制來調(diào)節(jié)LED亮度，采用以下兩種方法之一：PWM和模擬。PWM調(diào)光通過調(diào)節(jié)脈沖占空比來控制LED電流。如果頻率高于120 Hz,人眼會均衡這些脈沖，以產(chǎn)生可感知的平均光度。模擬調(diào)光可在恒定直流值下調(diào)節(jié)LED電流。

可通過打開和關(guān)閉與RSENSE串聯(lián)插入的NMOS開關(guān)，實施PWM調(diào)光。這些電流水平可能需要功率器件，但添加功率器件會抵消通過使用包含自身電源開關(guān)的降壓穩(wěn)壓器獲得的大小和成本益處。或者，可以通過快速打開和關(guān)閉穩(wěn)壓器來執(zhí)行PWM調(diào)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(diào)光線性度-200 Hz下的輸出電流與占空比

與所有通用降壓穩(wěn)壓器相同，ADP2384沒有針腳來應(yīng)用PWM調(diào)光輸入，但可以操控FB引腳以啟用和禁用開關(guān)。如果FB變?yōu)楦唠娖?，則誤差放大器變?yōu)榈碗娖?，降壓開關(guān)停止。如果FB重新連接到RSENSE則它將恢復正常調(diào)節(jié)。這可以通過低電流NMOS晶體管或通用二極管實現(xiàn)。在圖11中，高PWM信號將RSENSE連接到FB,實現(xiàn)LED調(diào)節(jié)。低PWM信號關(guān)閉NMOS,有一個上拉電阻將FB電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖11. 使用ADP2384進行PWM調(diào)光

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

圖12. 模擬調(diào)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(jié)溫，有時必須監(jiān)控LED溫度，如果溫度過高，必須做出響應(yīng)。導致異常高溫的原因可能是散熱器連接不當、周邊溫度過熱或其他一些極端條件。常見解決方案是在當溫度超過某個閾值時減小LED電流(圖13)。這稱為LED 熱折返。

圖13. 需要的LED熱折返曲線

在這種類型的調(diào)光中，LED保持在滿載電流，直至到達溫度閾值(T1)，在這個閾值之上，LED電流隨溫度升高開始降低。這樣可以限制LED的結(jié)溫，保持它們的使用壽命。低成本NTC(負溫度系數(shù))電阻通常用于測量LED的散熱器溫度。通過對模擬調(diào)光方案進行細微修改，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電流開始下降。

結(jié)論

這些技巧應(yīng)該作為使用標準降壓穩(wěn)壓器實施全面LED功能的一般指導準則。但是，由于這些功能有一點超出降壓IC的目標應(yīng)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。