類汽車LED照明屬性驅(qū)動電路安全設計淺析

在一些應用中，比如汽車LED照明，由于LED的位置通常離司機較遠，從而需要增加短路保護。

非同步、升壓、電源轉(zhuǎn)換拓撲通常用于LED驅(qū)動器中，在這些情況中，輸入電壓不足以對一組串聯(lián)/并聯(lián)LED燈串進行正向偏置。這種電感式開關拓撲生成了實現(xiàn)LED電流調(diào)節(jié)所需的恒流制輸出電壓，并且通常用于LCD背光應用。在LED矩陣應用中，例如汽車內(nèi)部和外部照明，由于遠離司機，輸出對地短路的可能性是真實的，甚至可能是災難性的。保護電路能限制電流并作為電子斷路器，可以防止災難性的故障。

如圖1所示，升壓轉(zhuǎn)換器的輸入通過升壓電感器(L1)和升壓二極管(D1)物理連接其輸出。因此，輸出端的短路會使升壓電感器飽和，造成電流尖峰，足以損壞升壓二極管。更糟糕的是，短路還可以破壞與輸入相關的所有連接，包括脈寬調(diào)制(PWM)控制器。顯然，在使用這種拓撲來為遠程LED供電時，需要某種形式的電路保護。我們接下來要考慮一種通用且低成本的電路，可以優(yōu)化保護升壓轉(zhuǎn)換器和防止輸入端出現(xiàn)短路負載的情況。此外，我們將介紹一個電路模擬，驗證所需的響應。

圖1. 基于非隔離升壓拓撲的LED驅(qū)動電路

限流器和電子斷路器

電流分流監(jiān)視器(CSM)是一種高精度、高增益差分電流檢測放大器，經(jīng)常用于監(jiān)視輸入和輸出電流。 圖2展示的是其典型的配置。這個特定器件集成了一個開漏比較器，可以將其編程，在預設定的線路電流上跳閘、鎖存和復位。

圖2. 電流分流監(jiān)視器組件增加了保護

此比較器的輸出可用于控制外部MOSFET開關，可以在幾微秒內(nèi)中斷負載短路。 除了在輸出故障情況下中斷輸入電流之外，模擬輸出可用于解決開關穩(wěn)壓器上所謂的“負輸入阻抗”。輸入電壓降低時，“負輸入阻抗”將導致輸入電流增加。

通過將輸入電流與輸出電流以合乎邏輯的配置相連，可實現(xiàn)對輸入的控制。其目的是生成復合反饋信號，驅(qū)動PWM控制器，如圖3中所示。隨后，CSM覆蓋輸出電流反饋，并迫使LED電流隨著輸入電壓的下降降到一個預設電平，從而限制輸入電流。

圖3. 輸入限流器依賴于感測輸入和輸出電流

電路操作

圖4顯示了帶輸出短路保護功能的升壓轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動器的電路實現(xiàn)方式。電路中所示的歐司朗光電半導體Ostar LED是針對汽車前照燈應用的器件，實際上是絕緣金屬基板上的一個完整的五芯片LED。該器件的浪涌電流額定值為2A，小于10μs，以及1A時典型的的18V正向電壓。LED電流由檢測電阻(RSNS)設定，它的值與PWM轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部帶隙基準成比例 (RSNS = VREF/ILED)。使用具有低參考電壓的升壓轉(zhuǎn)換器有助于實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換器效率，并降低組件熱應力。

圖4. 具有短路故障保護的LED升壓驅(qū)動電路。

雖然LED本身能夠達到超過50,000小時的使用壽命，但LED對溫度和電應力很敏感，而且LED的其動態(tài)阻抗特性往往會給調(diào)節(jié)器元件的選擇和控制回路的設計提出挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)了圖4中的仿真電路，以分析LED驅(qū)動器/保護電路的復雜性，并預測在不同操作條件下的電路特性。

為此分析所選的PWM控制器具有0.26V的反饋參考電壓。因此，在1A的LED電流下，只有0.26W的功耗在LED檢測電阻中消散。由于CSM的增益為50，所以使用較小值的檢測電阻來感測輸出電流。 當通過CSM分流電阻器的電流超過由CSM檢測電阻器設置的限制時，CSM增益和比較器閾值(R，R)，PMOS通道晶體管中斷負載電流，充當電子斷路器。

通過將RESET引腳切換為低電平，可以復位鎖存輸出。但是，出于本文的目的，RESET已被禁用，以檢查響應速度。響應速度和峰值電流取決于許多變量，包括元件選擇、CSM帶寬、噪聲濾波器、輸出電容、FET選擇和輸出升壓電感器。合在一起，這些因素會影響轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗。為了準確評估運行，我們進行模擬，最大時間步長設置為50 ns，直流相對公差設置為0.001%。分析在TINA-TI，一款免費的Berkeley SPICE 3f5兼容模擬器進行。以300 kHz運行的升壓轉(zhuǎn)換器的5 ms模擬運行僅僅在30秒內(nèi)啟動至穩(wěn)定狀態(tài)。

電流分流監(jiān)視器(CSM)放置在哪里?

CSM可以放置在升壓轉(zhuǎn)換器的輸入或輸出端。在此次的模擬中，CSM放置在輸出端，感測流經(jīng)10-mΩ 分流器的電流。分流器與輸出PMOS通道元件(T5)串聯(lián)布置。根據(jù)CSM的布局，該電路可以防止內(nèi)部或外部短路。但是，CSM必須設計在所有工作條件下有足夠的共模范圍(CMR)。

如果放置在升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端，則可以選擇較低CMR的CSM。但是，將CSM置于輸出端會繞開升壓電感器，會加速短路的反應時間。不管CSM放在何處，應使用RC濾波器來減少分流電阻引起的突發(fā)di/dt事件而可能發(fā)生的噪聲和諧振振鈴。可以放置一個小的100Ω電阻和差分電容器，其時間常數(shù)是分配器估計的Lp/R時間常數(shù)的三倍，其中Lp為寄生并聯(lián)電感器。由于CSM的增益誤差和帶寬會受到噪聲濾波器的不利影響，因此要保持濾波器數(shù)值很小。

模擬結(jié)果

模擬結(jié)果如圖5所示，Vg是PMOS FET的控制電壓，在正常條件下設置為-6V。根據(jù)FET的閾值電壓、閥級電荷和飽和特性，需要進行優(yōu)化。將閥的電壓最小化可以提高反應時間，并且應選擇上拉電阻，將中斷周期最小化。請注意，輸入電流和閾值電壓顯示為高閥級電荷(紫色)和低閥級電荷(藍色)MOSFET。

圖5.標準有線和無線網(wǎng)絡將傳輸物理建筑系統(tǒng)和建筑管理設備之間傳遞的相對簡單的命令和數(shù)據(jù)。

很顯然，下柵極充電器件將輸入端所看到的電流最小化。選擇MOSFET和柵極驅(qū)動電路以獲得最佳響應是重要的考慮因素，限制di/dt并滿足MOSFET的安全操作要求。這些是不易分析的復雜設計考慮因素; 因此，最好先進行模擬和確認。

某些示波器(如Tektronix產(chǎn)品)提供了專門的測試軟件，可以計算MOSFET安全工作曲線的開關功率損耗。模擬表明響應時間小于2μs，在電流中斷前，輸入電流小于6A。選擇中斷FET將影響峰值輸入和輸出電流。驅(qū)動高端NMOS器件的高性能熱插拔控制器是另一種選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)小于250ns的中斷時間。這些設備針對背板熱卡插入進行了優(yōu)化，但可能會提供比此處展示的更高性能的解決方案。

避免失敗

在模擬的電路中，在變化的負載條件下，會中斷或者限制升壓轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動器的輸入/輸出電流。該電路經(jīng)過優(yōu)化，可用于汽車LED前照燈驅(qū)動器。模擬表明，實現(xiàn)最佳電路響應時間需要仔細分析和組件選擇。將這些敏感度集成到綜合時域電路仿真中，有助于理解電路對工作條件和元件選擇的特征。

專門的熱插拔控制器具有專門的功能和優(yōu)化的性能，應該考慮。無論哪種情況，在實施電路中斷或限制電源時，都需要仔細分析。為LED驅(qū)動器設計強大的保護電路很復雜，想加速分析和設計，像TINA-TI、SPICE和WEBENCH這樣的軟件是很有用的工具。