降压调节器变身智能可调光LED驱动器的创新设计

凭借使用寿命长和功耗低的优势，LED有望改变整个照明行业，但它的快速采用面临的主要障碍是LED本身的成本居高不下。LED灯具(完整电力照明设备)的成本各不相同，但LED的成本通常占据了整个灯具成本的大约25%至40%，而且预期在今后多年内仍会占据很高比例(图1)。 图1.LED灯具成本的细分1 　　降低整体灯具成本的一种方法是在产品规格允许的范围内，在可能最高的直流电流下驱动LED。此电流可能远高于其“分档电流”.如果正常驱动，这样可能产生更高的流明/成本比率。 图2.LED光输出和效率与驱动电流2 　　但是，这种做法需要更高电流驱动器。很多解决方案在低电流下(<500mA)驱动LED,但很少有高电流(700mA至4A)的选择方案。这一现象似乎令人惊讶，因为半导体行业有大量的容量达到4A的DC-DC解决方案，但它们的设计目的是控制电压，而不是控制LED电流。本文将探讨将现成DC-DC降压稳压器转换为智能LED驱动器的一些简单技巧。 　　降压稳压器对输入电压进行斩波，并通过LC滤波器传送，以提供稳定的输出，如图3所示。它使用两个有源元件和两个无源元件。有源元件是从输入到电感的开关“A”，以及从地面到电感的开关(或二极管)“B”.无源元件是电感(L)和输出电容(COUT)它们形成LC滤波器，可以减小由有源元件产生的纹波。 图3.基本降压方案 　　如果开关是内部的，则降压器称为稳压器，如果开关是外部的，则称为控制器。如果两个开关都是晶体管(MOSFET或BJT)，则它是同步的，如果底部的开关是使用二极管实施的，则它是异步的。这些类型的降压电路各有优劣，但同步降压稳压器通常可以优化效率、器件数量、解决方案成本和电路板面积。遗憾的是，用于驱动高电流LED(高达4A)的同步降压稳压器很少，而且成本昂贵。本文以ADP2384为例，展示如何修改标准同步降压稳压器的连接以调节LED电流。 　　ADP2384高效同步降压稳压器指定最高4A的输出电流，具有最高20V的输入电压。图4显示了用于调节输出电压的正常连接。 图4.连接用于调节输出电压的ADP2384 　　在工作中，经过分压的输出电压连接到FB引脚，与内部600mV基准进行比较，用于生成开关的适当占空比。在稳态下，FB引脚保持在600mV,因此VOUT调节至600mV乘以分频比。如果上方的电阻被LED取代(图5)，则输出电压必须是需要的任何值(在额定值范围内)，将FB维持在600mV；因此，通过LED的电流被控制在600mV/RSENSE。 图5.基本(但不高效的LED驱动器 　　当从FB到地面的精密电阻设置LED电流时，此电路使用效果很好，但电阻消耗了很多功率：P=600mV×ILED对于低LED电流，这不是大问题，但在高LED电流下，低效率会大幅增加灯具散发的热量(600mV×4A=2.4W)。降低FB基准电压可以成比例降低功耗，但大多数DC-DC稳压器没有调节此基准的方式。幸运的是，两个技巧可降低大多数降压稳压器的基准电压：使用SS/TRK引脚-或偏移RSENSE电压。 　　很多通用降压IC包括软启动(SS)或跟踪(TRK)引脚。SS引脚可缓慢增加启动时的开关占空比，从而最大程度地减小启动瞬变。TRK引脚让降压稳压器能够遵循独立电压。这些功能通常结合到单个SS/TRK引脚上。大多数情况下，误差放大器将SS、TRK和FB电压中的最小值与基准进行比较，如图6所示。 图6.使用ADP2384的软启动引脚工作 　　对于灯具应用，将SS/TRK引脚设置为固定电压，并将其用作新的FB基准。恒压分压器充当基准电压源非常有效。例如，很多降压稳压器IC包括受控低压输出-如ADP2384上的VREG引脚。为了达到更高精度，可以使用简单的2引脚外部精密基准电压源，例如ADR5040.在任何情况下，从该电源到SS/TRK引脚的电阻分压器形成新的基准电压源。将此电压设置在100mV和200mV之间，通常可以提供功耗和LED电流精度之间的最佳平衡。用户选择的基准电压的另一个优点是RSENSE可以选择方便的标准值，从而避免指定或分配任意精密电阻值来设置LED电流的开支和不精确性。 图7.使用SS/TRK引脚以降低FB基准电压 　　使用SS或TRK引脚方法并非对于所有降压稳压器都是可行的，因为有些IC没有这些引脚。另外，对于某些降压IC,SS引脚会改变峰值电感电流，而不是FB基准，因此必须仔细查看产品数据手册。作为一种替代方法，可以产生RSENSE电压偏移。例如，精密电压源和RSENSE之间的电阻分压器提供从RSENSE到FB引脚的相当恒定的偏移电压(图8)。 图8.产生RSENSE电压偏移 　　电阻分压器的必需值可以使用公式1计算，其中VSUP是辅助调节电压，FBREF(NEW)是RSENSE两端的目标电压。 　　因此，可使用以下公式获取150mV的有效反馈基准，其中R2=1kΩ，VSUP=5V: 　　LED电流为： 　　这种方法不需要SS或TRK引脚。FB引脚仍然调节至600mV(但RSENSE的电压调节至FBREF(NEW))。这意味着芯片的其他功能(包括软启动、跟踪和电源良好指示)仍将正常运行。 　　这种方法的缺点是RSENSE和FB之间的偏移受到电源精度的严重影响。使用ADR5040等精密基准电压源可能是理想的，但不太精确的±5%基准容差可能在LED电流上产生±12%的变化。表1显示了比较结果： 表1.SS/TRK和偏移RSENSE的比较 　　精确电流调节的另一个关键是适当布局连接至检测电阻。4引脚检测电阻是理想之选，但可能成本比较昂贵。借助良好的布局技术，我们可以使用传统的2引脚电阻实现高精度，如图9所示。 图9.RSENSE的建议PCB走线路径 　　除调节之外的功能，使用现成的降压稳压器调节LED电流非常简单。此处的示例采用了ADP2384.更加详尽的论文还包括使用ADP2441的示例，该器件的引脚较少，具有36V输入电压范围。该文显示了一些示例，展示如何实施专用LED降压稳压器提供的很多“智能”功能，例如LED短路/开路故障保护、RSENSE开路/短路故障保护、PWM调光、模拟调光和电流折返热保护。我们在本文中将使用上例中的ADP2384,讨论PWM和模拟调光、电流折返。 　　使用PWM和模拟控制进行调光 　　“智能”LED驱动器的一个关键要求是使用调光制来调节LED亮度，采用以下两种方法之一：PWM和模拟。PWM调光通过调节脉冲占空比来控制LED电流。如果频率高于120Hz,人眼会均衡这些脉冲，以产生可感知的平均光度。模拟调光可在恒定直流值下调节LED电流。 　　可通过打开和关闭与RSENSE串联插入的NMOS开关，实施PWM调光。这些电流水平可能需要功率器件，但添加功率器件会抵消通过使用包含自身电源开关的降压稳压器获得的大小和成本益处。或者，可以通过快速打开和关闭稳压器来执行PWM调光。在低PWM频率下(<1kHz)，这样仍然可以提供良好的精度(图10)。 图10.ADP2384PWM调光线性度-200Hz下的输出电流与占空比 　　与所有通用降压稳压器相同，ADP2384没有针脚来应用PWM调光输入，但可以操控FB引脚以启用和禁用开关。如果FB变为高电平，则误差放大器变为低电平，降压开关停止。如果FB重新连接到RSENSE则它将恢复正常调节。这可以通过低电流NMOS晶体管或通用二极管实现。在图11中，高PWM信号将RSENSE连接到FB，实现LED调节。低PWM信号关闭NMOS，有一个上拉电阻将FB电平变为高电平。 图11.使用ADP2384进行PWM调光 　　虽然PWM调光非常流行，但有时我们需要无噪声的“模拟”调光。模拟调光只是调节恒定LED电流，而PWM调光则进行斩波。如果使用两个调光输入，则需要模拟调光，因为多个PWM调光信号可能产生拍频，导致闪烁或声频噪声。但是，可将PWM用于一个调光控制，而将模拟用于另一个调光控制。使用通用降压稳压器，实施模拟调光的最简单方法是通过调节FB基准电路的电源，控制FB基准，如图12所示。 图12.模拟调光电路 　　热折返 　　由于LED的使用寿命在很大程度上取决于其工作结温，有时必须监控LED温度，如果温度过高，必须做出响应。导致异常高温的原因可能是散热器连接不当、周边温度过热或其他一些极端条件。常见解决方案是在当温度超过某个阈值时减小LED电流(图13)。这称为LED热折返。 图13.需要的LED热折返曲线 　　在这种类型的调光中，LED保持在满载电流，直至到达温度阈值(T1)，在这个阈值之上，LED电流随温度升高开始降低。这样可以限制LED的结温，保持它们的使用寿命。低成本NTC(负温度系数)电阻通常用于测量LED的散热器温度。通过对模拟调光方案进行细微修改，NTC的温度可以轻松控制LED电流。如果SS/TRK引脚用于控制FB基准，则可以使用一种简单方法，将NTC与基准电压并联放置(图14)。 图14.使用SS/TRK的LED热折返 　　随着散热器温度升高，NTC电阻下降。NTC形成R3的电阻分压器。如果分压器的电压高于基准电压，则输出最大电流;如果NTC电阻电压降低到基准电压之下，然后降低到FB基准电压之下，则LED电流开始下降。 　　结论 　　这些技巧应该作为使用标准降压稳压器实施全面LED功能的一般指导准则。但是，由于这些功能有一点超出降压IC的目标应用范围，因此您最好联系半导体制造商，确认IC能够处理这些工作模式。