驅(qū)動(dòng)LED陣列的同步降壓開關(guān)電源

背景

汽車照明裝配供應(yīng)商正在考慮用LED器件與高強(qiáng)度放電(HID) 照明競(jìng)爭(zhēng)。首先，LED器件的驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)有HID 燈復(fù)雜。HID燈要求高壓鎮(zhèn)流電路在HID 燈中啟動(dòng)一個(gè)電弧，而且在啟弧后需要調(diào)整其電壓輸出，以維持對(duì)HID燈的恒定功率供應(yīng)。從電磁兼容(EMC)的觀點(diǎn)來(lái)看，這些高壓電路易于產(chǎn)生噪聲，進(jìn)一步阻礙了這些技術(shù)在汽車領(lǐng)域使用。最后，LED器件的成本持續(xù)下降，使這種技術(shù)對(duì)于成本敏感的汽車市場(chǎng)越來(lái)越有吸引力。

一個(gè)典型的LED前照燈應(yīng)用要求給LED陣列提供大約25 瓦以上的功率。因?yàn)長(zhǎng)ED元件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是效率高，所以驅(qū)動(dòng)電子元件也應(yīng)該提高效率，以充分發(fā)揮LED技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。因此考慮采用某種開關(guān)電源 (SMPS)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)是可以的(參見圖1)。但大多數(shù)SMPS 設(shè)計(jì)的目標(biāo)是調(diào)節(jié)電壓而不是電流。

選擇電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)于這種應(yīng)用，選擇了降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。輸入電壓的限制(VBATT =9 V min.) 和陣列的正向壓降(2xVF=8.0 V，VFMAX=4 V@IF=350 mA)確定后，期望采用降壓拓?fù)鋪?lái)滿足這些要求是合理的。其他驅(qū)動(dòng)LED的方法是用開關(guān)方式產(chǎn)生/穩(wěn)定電壓，然后通過(guò)脈沖寬度調(diào)制方式調(diào)節(jié)流過(guò)LED的電流。在LED和開關(guān)的路徑上，需要串聯(lián)一個(gè)限流電阻，以避免流過(guò)的電流過(guò)大，造成潛在的損害。這個(gè)串聯(lián)電阻消耗功率，也會(huì)導(dǎo)致效率降低。

但是，SMPS本身具備有利于穩(wěn)流的元件。降壓調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)化電路如圖2所示。

更仔細(xì)的觀察這個(gè)設(shè)計(jì)中的儲(chǔ)能元件可以發(fā)現(xiàn)一些有趣的觀點(diǎn)。通過(guò)電感的電流可以看作既是交流也是直流元件?？紤]SMPS的電感在連續(xù)模式中工作的情況 (通過(guò)電感的電流波形參見圖3)。 在這個(gè)應(yīng)用中直流元件特別令人關(guān)注。因?yàn)殡娏魇顷P(guān)鍵參數(shù)，所以調(diào)節(jié)電流并向負(fù)載提供是這個(gè)電路的主要目標(biāo)。還應(yīng)該記住把交流元件減到最小的目標(biāo)。

另外，因?yàn)椴豢紤]輸出電壓，而且它會(huì)隨著LED 器件而改變，因而不需要像傳統(tǒng)穩(wěn)壓電路一樣考慮這個(gè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)壓任務(wù)。當(dāng)電感進(jìn)行充電并且?guī)椭騆ED 陣列提供能量時(shí)，輸出電容在此期間提供電流。傳統(tǒng)穩(wěn)壓器的這個(gè)元件將保留。

選擇控制器

這里選擇了安森美半導(dǎo)體CS5165A，因?yàn)殡S著誤差放大器參考電壓從3.54V 變化到1.25V，它具有5比特可編程能力，有了可變的參考電壓，就可以設(shè)計(jì)可調(diào)的調(diào)節(jié)器，而不需要改變反饋元件。

CS5165A的另一個(gè)有利的特性是，它是控制器而不是穩(wěn)壓器。這樣可以根據(jù)整個(gè)電路特定的功率處理要求來(lái)選擇輸出開關(guān) 。最后，CS5165A是一個(gè)同步調(diào)節(jié)器，進(jìn)一步提高了這種特殊應(yīng)用中更高功率設(shè)計(jì)的效率。

最終設(shè)計(jì)

以下討論參見圖5 。如果有了以上的優(yōu)點(diǎn)，可以在汽車典型的輸入電壓范圍內(nèi)，使用CS5165A進(jìn)行額定輸出電流為3.5A的設(shè)計(jì)(外部需要提供負(fù)載切斷和電池反向的額外保護(hù))。假設(shè)讀者已熟悉降壓 SMPS的基本概念，因此在此只強(qiáng)調(diào)本設(shè)計(jì)更獨(dú)特的特點(diǎn)。

第一步是將期望的參數(shù)和電流值變換為由CS5165A調(diào)節(jié)的電壓值。這可以由RSENSE1 完成。為了進(jìn)一步提高效率，要用運(yùn)算放大器放大RSENSE1 上的電壓信號(hào)，并且保持電阻中的損耗為最小。確定所需負(fù)載電流的Vref 設(shè)置點(diǎn)方程如下所示(其中A 是放大器電路的增益):

VREF=A ILOAD RSENSE1

從減小導(dǎo)通損耗和熱量觀點(diǎn)考慮選擇一對(duì)NTB45N06 N-溝道功率MOSFET。另外，上部MOSFET M1選擇了器件的邏輯級(jí)版本。這有助于當(dāng)電荷泵峰值儲(chǔ)備不足時(shí)，用較高的輸入電壓驅(qū)動(dòng)上部MOSFET。

為了驅(qū)動(dòng)上部MOSFET，用C1 作為電荷泵元件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電荷泵。C1 把電荷泵入由Q1、D1、D2 D4、R2 R3 和 C3 C4構(gòu)成的分流穩(wěn)壓電路。當(dāng)M2導(dǎo)通而且驅(qū)動(dòng)開關(guān)節(jié)點(diǎn) (上部MOSFET M1的源極) 到地后，C1 通過(guò)D1充電到電池電壓。然后，當(dāng)M1驅(qū)動(dòng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)從電池電壓上升時(shí)，C1上的電荷通過(guò)D2送到C3。此電壓用于把M1 驅(qū)動(dòng)到電池電壓以上并且為器件提供足夠的VGS。