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升壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單開(kāi)路保護(hù)

發(fā)布日期:2023-02-01 點(diǎn)擊次數(shù):1382
引言
    驅(qū)動(dòng)高亮度LED的一種方法是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)溥M(jìn)行修改,以驅(qū)動(dòng)恒定電流通過(guò)負(fù)載。但是,這種實(shí)施方法存在一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題,因?yàn)長(zhǎng)ED串中出現(xiàn)的開(kāi)路故障會(huì)移除負(fù)載電流的通路。由于來(lái)自轉(zhuǎn)換器(此時(shí)在無(wú)反饋情況下工作)的高輸出電壓,這樣可能會(huì)對(duì)電路造成潛在損壞。本文為您介紹一種簡(jiǎn)單的健壯開(kāi)路故障保護(hù)方法,其使用一個(gè)齊納二極管和一個(gè)電阻器,并且對(duì)總效率的影響可以忽略不計(jì)。通過(guò)將一個(gè)高壓升壓轉(zhuǎn)換器配置為一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)器,用于驅(qū)動(dòng)3支高亮度白光LED,并在輸出端產(chǎn)生一個(gè)模擬故障狀態(tài),我們可以驗(yàn)證這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能性。該電路將輸出電壓控制在某個(gè)安全水平,并在受保護(hù)狀態(tài)下減少輸出電流。
典型高亮度LED升壓轉(zhuǎn)換器
    我們常常對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行修改,以在單節(jié)鋰離子(Li-Ion)、堿性及其它應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)高亮度LED。在這些應(yīng)用中,LED串的電壓超出了電池或者電源軌電壓。在標(biāo)準(zhǔn)升壓圖1無(wú)開(kāi)路保護(hù)LED驅(qū)動(dòng)器高壓升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)配置結(jié)構(gòu)中,利用一個(gè)分壓器產(chǎn)生電路的反饋電壓VFB,從而對(duì)輸出電壓VOUT進(jìn)行監(jiān)控。轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),讓VFB始終都等于片上參考電壓VREF.這種拓?fù)錇樽赃m應(yīng)型,可用負(fù)載代替反饋分壓器中的上層電阻器,從而保持恒定電流而非恒定電壓,如圖1中LED串所示。
    負(fù)載電流依賴于升壓轉(zhuǎn)換器的片上參考電壓,其計(jì)算方法如下:
    這種簡(jiǎn)單實(shí)施方法存在的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題是,LED串中出現(xiàn)的開(kāi)路故障會(huì)移除負(fù)載電流的通路。當(dāng)沒(méi)有電流流過(guò)反饋電阻器RSET時(shí),VFB被下拉至接地。作為響應(yīng),升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)盡可能地增加其工作占空比至最大值,目的是在反饋(FB)針腳上維持正確的電壓。利用理想化的升壓轉(zhuǎn)換器傳輸函數(shù)表明,當(dāng)轉(zhuǎn)換器接近其最大占空比時(shí),可以產(chǎn)生高輸出電壓(VOUT)。請(qǐng)思考一個(gè)90%(常用值)典型最大占空比且5V輸入的升壓轉(zhuǎn)換器:
    轉(zhuǎn)換器輸出端高壓帶來(lái)發(fā)生多次故障的可能性。這種電壓可能會(huì)超出內(nèi)部或者外部開(kāi)關(guān)式器件或者無(wú)源組件的額定值。另外,如果在沒(méi)有采取保護(hù)措施的情況下操作電路,它還會(huì)給用戶帶來(lái)潛在危險(xiǎn),并可能會(huì)在連接時(shí)損壞負(fù)載。
    保護(hù)電路
    在出現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài)時(shí),負(fù)載電流必須有一條備用通路。盡管將一個(gè)電阻器與LED串并聯(lián)可以提供一條通路,但其并不理想,因?yàn)樗鼤?huì)引起巨大的效率損失。替代配置(圖2)由一個(gè)齊納二極管和一個(gè)電阻器組成,可提供足夠的系統(tǒng)保護(hù),并且效率損失微乎其微。
    當(dāng)負(fù)載電流通路被移除時(shí),輸出電壓上升,直到齊納二極管ZD1開(kāi)啟,同時(shí)電流流經(jīng)RPRO和RSET接地。輸出電流由RPRO和RSET的串聯(lián)組合決定,因?yàn)閂FB受到驅(qū)動(dòng)后等于內(nèi)部帶隙參考電壓VREF.因此,輸出保護(hù)電流默認(rèn)為:
    我們?yōu)辇R納二極管選擇一個(gè)電壓,以使正常電路工作期間沒(méi)有電流流經(jīng)它。為了確保該二極管在正常運(yùn)行期間圖2有開(kāi)路保護(hù)LED驅(qū)動(dòng)器電路完全關(guān)閉,所選電壓應(yīng)至少高于最大負(fù)載電壓2V,但小于升壓轉(zhuǎn)換器的規(guī)定最大輸出電壓。這樣,電路設(shè)計(jì)人員便不會(huì)經(jīng)常被迫增加輸出電容器C2和C3以及箝位二極管SD1的額定電壓。
    輸出電壓被控制為齊納二極管電壓與參考電壓的和:
    通過(guò)平衡電路保護(hù)期間的LED電流感應(yīng)誤差和功耗來(lái)選擇RPRO值。實(shí)際上,RPRO的值應(yīng)盡可能地大,以最小化齊納二極管的功耗:
    進(jìn)入電路的誤差,由齊納二極管的漏電流IZL以及升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)部誤差放大器的偏置電流IFB所引起。方程式6是一個(gè)經(jīng)過(guò)修改的傳輸函數(shù),其包括了這些誤差:
    由于這兩種電流一般都小于1μA,因此引起的誤差非常小,在大多數(shù)實(shí)現(xiàn)中均可以忽略不計(jì)。
演示論證
    圖3保護(hù)電路激活示波器截屏作為一個(gè)應(yīng)用舉例,TI TPS61170升壓轉(zhuǎn)換器IC被配置為一個(gè)恒定電流LED驅(qū)動(dòng)器。在諸如背光照明或者手電筒等應(yīng)用中,它是驅(qū)動(dòng)高亮度LED串的理想升壓轉(zhuǎn)換器。3V-18V輸入范圍允許使用較寬的電源范圍,例如:2S到4S鋰離子或者3S到12S堿性電池組、USB或者12V電源軌。
        升壓轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)配置,用于驅(qū)動(dòng)3支高亮度白光LED(260 mA)。典型參考電壓為1.229 V時(shí),將簡(jiǎn)化的負(fù)載電流用于方程式7中,計(jì)算得到RSET:
    我們選用1mA值作為保護(hù)電流(IPRO),以計(jì)算RPRO值:
    我們?yōu)閆D1選擇一個(gè)15V齊納二極管,以表現(xiàn)約10V預(yù)計(jì)負(fù)載電壓時(shí)的最小漏電流,同時(shí)還將輸出控制在遠(yuǎn)低于升壓轉(zhuǎn)換器最大允許輸出電壓(40V)的某個(gè)值。輸出電壓被控制在齊納二極管電壓(VZD1),其與轉(zhuǎn)換器參考電壓的和為:
    利用選擇的負(fù)載電流和保護(hù)電阻器,計(jì)算與預(yù)期負(fù)載電流的偏差(參見(jiàn)下列方程式10)。數(shù)據(jù)表值200 nA用于反饋偏置電流(IFB),1μA值則用于預(yù)計(jì)的齊納二極管漏電流,VOUT約為10V.
    電路的目標(biāo)負(fù)載電流為260 mA.正如我們所看到的那樣,一旦組件理論值被方程式10中的有效值代替,它們引起的誤差將遠(yuǎn)多于保護(hù)電路本身帶來(lái)的誤差。
    為了測(cè)試保護(hù)電路的運(yùn)行情況,我們使用一個(gè)38Ω的電阻器十進(jìn)位箱代替LED串,目的是模擬設(shè)計(jì)負(fù)載電流下LED串的電壓。通過(guò)快速地將負(fù)載電阻從38Ω改變?yōu)?038Ω,可以模擬一次開(kāi)路故障。如圖3所示,這種輸出電流變化(綠色線條)表明了負(fù)載阻抗的突然變化。為了進(jìn)行補(bǔ)償,TPS61170輸出電壓(黃色線條)上升,以重新達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)載電流。但是,這種變化不會(huì)始終如此,直到達(dá)到其最大占空比,輸出電壓穩(wěn)定在了約16V的箝位電壓。
結(jié)論
    我們?yōu)槟榻B了一種給配置為恒定電流LED驅(qū)動(dòng)器的升壓轉(zhuǎn)換器提供開(kāi)路保護(hù)的簡(jiǎn)單方法。這種電路由一個(gè)齊納二極管和一個(gè)附加電阻器組成,其將輸出電壓限制在一個(gè)安全水平,同時(shí)在負(fù)載出現(xiàn)開(kāi)路故障時(shí)降低輸出電流。另外,這種方法給負(fù)載電流計(jì)算過(guò)程帶來(lái)了一些誤差,并使正常電路運(yùn)行期間的效率稍有降低,但這些影響都可以忽略不計(jì)。將一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器配置為一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器,并添加一個(gè)15V齊納二極管和一個(gè)1.2kΩ電阻器,用于輸出保護(hù)。這樣便演示論證了這種保護(hù)電路的功能性。該演示論證電路在模擬負(fù)載故障狀態(tài)下的輸出表現(xiàn)符合我們的預(yù)期。


























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