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基于高亮度LED升压转换器的开路保护设计

小序

驱动高亮度LED的一种措施是对标准升压转换器拓扑进行改动,以驱动恒定电流经由过程负载。然则,这种实施措施存在一个严重问题,由于LED串中呈现的开路故障会移除负载电流的通路。因为来自转换器(此时在无反馈环境下事情)的高输出电压,这样可能会对电路造成潜在毁坏。本文为您先容一种简单的壮实开路故障保护措施,其应用一个齐纳二极管和一个电阻器,并且对总效率的影响可以轻忽不计。经由过程将一个高压升压转换器设置设置设备摆设摆设为一个恒流驱动器,用于驱动 3 支高亮度白光 LED,并在输出端孕育发生一个模拟故障状态,我们可以验证这种拓扑布局的功能性。该电路将输出电压节制在某个安然水平,并在受保护状态下削减输出电流。

范例高亮度LED升压转换器

我们经常对转换器进行改动,以在单节锂离子(Li-Ion)、碱性及其它利用中驱动高亮度 LED。在这些利用中,LED 串的电压越过了电池或者电源轨电压。在标准升压设置设置设备摆设摆设布局中,使用一个分压器孕育发生电路的反馈电压 VFB,从而对输出电压 VOUT进行监控。转换器对输出电压进行调节,让 VFB始终都即是片上参考电压 VREF。这种拓扑为自适应型,可用负载代替反馈分压器中的上层电阻器,从而维持恒定电流而非恒定电压,如图 1 中 LED 串所示。负载电流依附于升压转换器的片上参考电压,其谋略措施如下:

这种简单实施措施存在的一个严重问题是,LED 串中呈现的开路故障会移除负载电流的通路。当没有电流流过反馈电阻器 RSET时,VFB被下拉至接地。作为相应,升压转换器会尽可能地增添其事情占空比至最大年夜值,目的是在反馈 (FB)针脚上保持精确的电压。使用抱负化的升压转换器传输函数注解,当转换器靠近其最大年夜占空比时,可以孕育发生高输出电压 (VOUT)。请思虑一个90%(常用值)范例最大年夜占空比且 5V 输入的升压转换器:

转换器输出端高压带来发生多次故障的可能性。这种电压可能会越过内部或者外部开关式器件或者无源组件的额定值。别的,假如在没有采取保护步伐的环境下操作电路,它还会给用户带来潜在危险,并可能会在连接时毁坏负载。

图 1 无开路保护LED驱动器高压升压转换器布局

保护电路

在呈现开路状态时,负载电流必须有一条备用通路。只管将一个电阻器与 LED 串并联可以供给一条通路,但其并不抱负,由于它会引起伟大年夜的效率丧掉。替代设置设置设备摆设摆设(图 2)由一个齐纳二极管和一个电阻器组成,可供给足够的系统保护,并且效率丧掉微乎其微。

图 2 有开路保护 LED驱动器电路

当负载电流畅路被移除时,输出电压上升,直到齐纳二极管 ZD1 开启,同时电流流经 RPRO和 RSET接地。输出电流由 RPRO和 RSET的串联组合抉择,由于 VFB受到驱动后即是内部带隙参考电压 VREF。是以,输出保护电流默觉得:

我们为齐纳二极管选择一个电压,以使正常电路事情时代没有电流流经它。为了确保该二极管在正常运行时代完全关闭,所选电压应至少高于最大年夜负载电压 2V,但小于升压转换器的规定最大年夜输出电压。这样,电路设计职员便不会常常被迫增添输出电容器 C2 和 C3 以及箝位二极管 SD1 的额定电压。输出电压被节制为齐纳二极管电压与参考电压的和:

经由过程平衡电路保护时代的 LED 电流感应偏差和功耗来选择 RPRO值。实际上,RPRO的值应尽可能地大年夜,以最小化齐纳二极管的功耗:

进入电路的偏差,由齐纳二极管的泄电流IZL以及升压转换器内部偏差放大年夜器的偏置电流 IFB所引起。方程式 6 是一个颠末改动的传输函数,其包括了这些偏差:

因为这两种电流一样平常都小于 1 ?A,是以引起的偏差异常小,在大年夜多半实现中均可以轻忽不计。

演示论证

作为一个利用举例,TI TPS61170升压转换器 IC 被设置设置设备摆设摆设为一个恒定电流 LED驱动器。在诸如背光照明或者手电筒等利用中,它是驱动高亮度LED串的抱负升压转换器。3V-18V 输入范围容许应用较宽的电源范围,例如:2S 到 4S 锂离子或者 3S 到 12S 碱性电池组、USB 或者 12V 电源轨。

图 3 保护电路激活示波器截屏

升压转换器颠末设置设置设备摆设摆设,用于驱动 3 支高亮度白光 LED(260 mA)。范例参考电压为 1.229 V 时,将简化的负载电流用于方程式7中,谋略获得RSET:

我们选用1mA值作为保护电流(IPRO),以谋略RPRO值:

我们为 ZD1 选择一个 15V 齐纳二极管,以体现约 10V 估计负载电压时的最小泄电流,同时还将输出节制在远低于升压转换器最大年夜容许输出电压 (40V) 的某个值。输出电压被节制在齐纳二极管电压 (VZD1),其与转换器参考电压的和为:

使用选择的负载电流和保护电阻器,谋略与预期负载电流的误差(拜见下列方程式 10)。数据表值200 nA用于反馈偏置电流 (IFB),1 ?A 值则用于估计的齐纳二极管泄电流,VOUT约为 10V。

电路的目标负载电流为 260 mA。正如我们所看到的那样,一旦组件理论值被方程式 10中的有效值代替,它们引起的偏差将远多于保护电路本身带来的偏差。

为了测试保护电路的运行环境,我们应用一个 38 ? 的电阻器十进位箱代替 LED 串,目的是模拟设计负载电流下 LED 串的电压。经由过程快速地将负载电阻从 38 ? 改变为 1038?,可以模拟一次开路故障。如图3所示,这种输出电流变更(绿色线条)注解了负载阻抗的忽然变更。为了进行补偿,TPS61170 输出电压(黄色线条)上升,以从新达到设计负载电流。然则,这种变更不会始终如斯,直到达到其最大年夜占空比,输出电压稳定在了约 16V 的箝位电压。

结论

我们为您先容了一种给设置设置设备摆设摆设为恒定电流LED驱动器的升压转换器供给开路保护的简单措施。这种电路由一个齐纳二极管和一个附加电阻器组成,其将输出电压限定在一个安然水平,同时在负载呈现开路故障时低落输出电流。别的,这种措施给负载电流谋略历程带来了一些偏差,并使正常电路运行时代的效率稍有低落,但这些影响都可以轻忽不计。将一个升压转换器设置设置设备摆设摆设为一个 LED驱动器,并添加一个 15V 齐纳二极管和一个 1.2k? 电阻器,用于输出保护。这样便演示论证了这种保护电路的功能性。该演示论证电路在模拟负载故障状态下的输出体现相符我们的预期。

责任编辑;zl

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