将LED驱动器从降压转换为升压以增强灵活性

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。

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。

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。

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。

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）：

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。

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。

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。

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：

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：

附加检测电阻R2的计算公式为：

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。

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：

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	3Ω
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。

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。

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