将LED驱动器从降压转换为升压以增强灵活性

描述

通过一些额外的元件和一些拓扑结构的重新排列,降压模式DC-DC转换器IC可以制成升压模式器件,以驱动电压高于电源电压的LED灯串。

迟滞降压 LED 驱动器是一种常用且易于实现的电流源,适用于 LED 串两端电压低于输入电压的情况。通过重新排列外部元件,可以将这种拓扑从降压模式切换到升压模式,以支持二极管压降总和大于输入电压的LED串。

虽然有许多升压稳压器可供选择,但这种拓扑结构允许单降压稳压器IC同时提供降压和升压功能,因此可以简化物料清单(BOM)并降低总体成本。虽然使用降压器件进行升压操作可能会导致LED电流变化增加,超出可接受的范围,但如果需要,可以增加一个额外的控制环路来进一步调节电流。

本变换示例使用MAX16822A/MAX16832 1Maxim Integrated的迟滞降压转换器,为2MHz高亮度LED驱动器IC,集成MOSFET和高边电流检测(图1)。(MAX16822A和MAX16832的区别仅在于额定电流:分别为500mA和1A。

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图1.MAX16832作为降压转换器LED驱动器的典型应用电路

该电路调节检测电阻R上的电压意义以便恒定电流流过与该电阻串联的 LED。MAX16832内部的MOSFET在低于设定值的电流时导通,高于设定点的电流时关断。当 MOSFET 导通时,电流斜坡上升并从输入电压 V 流出在通过检测电阻、LED、电感和 MOSFET 进行接地;当 MOSFET 关断时,电流斜坡下降并流回 V在通过检测电阻、LED、电感和二极管D1。

增加迟滞会产生一个自振荡系统,从而产生锯齿形LED电流,如图2所示。锯齿的振幅由滞后量决定。电容器C3充当滤波器,因此LED主要看到直流电流。此拓扑称为高边降压拓扑。

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图2.迟滞降压LED驱动器的电流波形由于自感振荡而具有锯齿形LED电流。

从降压到助推

降压拓扑只能在LED两端的电压小于输入电压时使用。当LED两端的电压大于输入电压时,需要升压拓扑。由于升压拓扑在低端也有开关MOSFET,因此通过重新排列外部元件,可以直接将高端降压拓扑更改为升压拓扑,如图3所示。在这种升压拓扑中,电流的调节方式与高端降压拓扑相同。

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图3.将拓扑结构从高端降压改为升压,只需对外部元件进行一些重新排列。

不同之处在于LED不再与检测电阻和电感串联。结果是输入电流而不是LED电流被调节。图4显示了输入和输出电流的波形;LED电流是通过C3的输出电流的滤波版本。

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图4.当配置为迟滞升压LED驱动器时,输入电流而不是LED电流被调节,如输入和输出电流的波形所示。

这种布置的结果是,LED电流不仅取决于调节的输入电流(I在),但也在输入电压 (V在)、输出电压 (V发光二极管),以及转换器的效率 (η):

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如果由此产生的LED电流变化大于可接受的范围,则基于MAX8515的额外电路2可以添加宽输入、0.6V并联稳压器,用于隔离式DC-DC转换器)来调节LED电流,如图5所示。

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图5.如果需要,可以使用基于MAX8515并联稳压器的附加电路来改善LED电流调节。

MAX8515用作误差放大器,比较反馈电压VFB至一个 0.6V 的内部基准电压。VFB与 LED 电流成正比,VFB= R2 × I发光二极管.由于放大器的输出可以从TEMP_I引脚吸收电流,但不能提供电流,因此TEMP_I引脚本身提供小的恒定电流。

两种电流之间的差异由电容C2积分。如果MAX8515吸收的电流大于TEMP_I引脚源,则电压降低;反之亦然。输入电流I的设定点在与该电压成正比,如图6所示。因此,如果 VFB小于0.6V基准,不会吸收电流,TEMP_I上的电压增加。这反过来又增加了输入功率,因此增加了LED电流和VFB.如果 VFB大于基准电压时,TEMP_I上的电压被拉低以减小LED电流。

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图6.MAX8515管理灌电流和拉电流,如TEMP_I电压与输入电流设定点之间的关系所示。

LED 电流控制环路最大限度地减少了变化

这些参数适用于用于调节LED电流的控制环路,图7:

MAX8515的0.6V基准电压为控制环路的输入;

VFB是输出,与LED电流成正比,I发光二极管= VFB/R2;

G1是MAX8515和电阻R2的增益(注意,由于NPN晶体管的反相作用,MAX8515的增益实际上是负的;通过交换加法器上的加号和减号进行补偿);

电容C2是积分器,而G2是TEMP_I电压和反馈电压之间的增益。

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图7.用于调节 LED 电流的控制回路从保持反馈电压 V 开始FB在 0.6V 时。

该控制回路调节VFB至 0.6V:

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为了正确配置升压电路,检测电阻R。意义应选择使最大输入电流略高于所需电流。然后,额外的控制环路降低输入电流,以获得正确的LED电流值。该电阻的值可以计算如下:

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附加检测电阻R2的计算公式为:

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还需要过压保护

LED 通常因短路而失效;从而降低输出电压。如果输出电压仍然高于输入电压,电路将继续正常工作。但是,如果LED因成为高阻抗(开路)而不是短路而失效,则输出电流将输出电容C3充电至超出IC工作范围的值,并导致其失效。

为了保护电路免受这种情况的影响,可以在基本电路中添加一些额外的元件,如图8所示。如果Q2的栅极电压达到其导通门限,Q2将下拉转换器上的DIM引脚。这会自动停止转换器的开关,输出电压缓慢下降,直到Q2关断。循环重复,使输出电压在过压门限附近变化,过压门限选择在转换器的工作范围内。

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图8.当LED失效开路时,需要过压保护;从而允许C3充电超过IC的最大额定值。

测量确认,扩展分析

为了验证降压/升压分析并评估整体性能,构建并测试了两个电路,一个具有额外的LED电流调节(电路2),另一个没有(电路1)。这些电路设计用于从 12V 输入以 200mA 电流驱动 8 个 LED (≈24V)。效率估计约为95%。

电路1:输出功率为4.8W (24V × 200mA)时,输入功率估计为4.8W/0.95≈5.05W。使用12V电源时,输入电流应调节至5.05W/12V≈421mA,因此R的输入电流值应为470mΩ意义(200mV/421mA)。

电路2:为了调节LED电流,R2需要为3Ω (600mV/200mA)。为了将输入电压扩展到低至8V,R意义应满足以下条件:

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因此选择了300mΩ的值。

表 

1 显示了关键组件值:

技术术语表

 

参考 无 LED 电流调节 带 LED 电流调节
L1 100微小时 100微小时
R意义 470毫欧 300mΩ
R2 不适用
R3 不适用 27kΩ
C1, C2 1μF 1μF
C3 10μF 10μF

 

为了演示LED电流调节的附加值,记录了两个电路在8V至16V输入电压范围内的LED电流,如图9所示。很明显,对于没有LED电流调节的电路,当输入电压处于其标称值12V时,LED电流仅处于其200mA目标值。对于其他值,它与输入电压成线性比例。如果输入电压被调节,则V的变化在可能非常小,并导致可接受的LED电流变化。

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图9.LED电流与输入电压的关系(红色)和不带(蓝色)附加调节显示输出电流对输入电压的敏感性。

相比之下,具有LED电流调节的电路没有显示出这种效果,但在整个输入电压范围内具有恒定值。额外的控制环路通过将LED电流调节到整个输入电压范围内的目标值来清楚地显示其值;仅在 8V 输入时略低。最有可能的是,由于R2的损耗,效率略低于估计的95%。快速测量显示,输入电流处于V的最大在= 8V。一个简单的解决方法是降低R意义至 270mΩ。

迟滞降压LED驱动器的另一个优点是,由于没有反馈,控制环路本质上是稳定的。添加额外的控制回路会引入反馈,这可能会带来不稳定。控制环路稳定性的波特图显示,该电路的相位裕量约为47°,足以保证稳定工作,如图10所示。

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图 10.具有电流调节的LED驱动器电路的波特图确认电路具有足够的相位裕量,以保证稳定工作。

审核编辑:郭婷

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