LED 驅(qū)動器應用中升壓轉(zhuǎn)換器的簡單開路保護

引言

驅(qū)動高亮度 LED 的一種方法是對標準升壓轉(zhuǎn)換器拓撲進行修改，以驅(qū)動恒定電流通過負載。但是，這種實施方法存在一個嚴重問題，因為 LED 串中出現(xiàn)的開路故障會移除負載電流的通路。由于來自轉(zhuǎn)換器(此時在無反饋情況下工作)的高輸出電壓，這樣可能會對電路造成潛在損壞。本文為您介紹一種簡單的健壯開路故障保護方法，其使用一個齊納二極管和一個電阻器，并且對總效率的影響可以忽略不計。通過將一個高壓升壓轉(zhuǎn)換器配置為一個恒流驅(qū)動器，用于驅(qū)動 3 支高亮度白光 LED，并在輸出端產(chǎn)生一個模擬故障狀態(tài)，我們可以驗證這種拓撲結(jié)構(gòu)的功能性。該電路將輸出電壓控制在某個安全水平，并在受保護狀態(tài)下減少輸出電流。

典型高亮度 LED 升壓轉(zhuǎn)換器

我們常常對轉(zhuǎn)換器進行修改，以在單節(jié)鋰離子(Li-Ion)、堿性及其它應用中驅(qū)動高亮度 LED。在這些應用中，LED 串的電壓超出了電池或者電源軌電壓。在標準升壓配置結(jié)構(gòu)中，利用一個分壓器產(chǎn)生電路的反饋電壓 VFB，從而對輸出電壓 VOUT 進行監(jiān)控。轉(zhuǎn)換器對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，讓 VFB 始終都等于片上參考電壓 VREF。這種拓撲為自適應型，可用負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。負載電流依賴于升壓轉(zhuǎn)換器的片上參考電壓，其計算方法如下：

這種簡單實施方法存在的一個嚴重問題是，LED 串中出現(xiàn)的開路故障會移除負載電流的通路。當沒有電流流過反饋電阻器 RSET 時，VFB 被下拉至接地。作為響應，升壓轉(zhuǎn)換器會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，當轉(zhuǎn)換器接近其最大占空比時，可以產(chǎn)生高輸出電壓 (VOUT)。請思考一個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發(fā)生多次故障的可能性。這種電壓可能會超出內(nèi)部或者外部開關式器件或者無源組件的額定值。另外，如果在沒有采取保護措施的情況下操作電路，它還會給用戶帶來潛在危險，并可能會在連接時損壞負載。

圖 1 無開路保護 LED 驅(qū)動器高壓升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

保護電路

在出現(xiàn)開路狀態(tài)時，負載電流必須有一條備用通路。盡管將一個電阻器與 LED 串并聯(lián)可以提供一條通路，但其并不理想，因為它會引起巨大的效率損失。替代配置(圖 2)由一個齊納二極管和一個電阻器組成，可提供足夠的系統(tǒng)保護，并且效率損失微乎其微。

圖 2 有開路保護 LED 驅(qū)動器電路

當負載電流通路被移除時，輸出電壓上升，直到齊納二極管 ZD1 開啟，同時電流流經(jīng) RPRO 和 RSET 接地。輸出電流由 RPRO 和 RSET 的串聯(lián)組合決定，因為 VFB 受到驅(qū)動后等于內(nèi)部帶隙參考電壓 VREF。因此，輸出保護電流默認為：