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瑞彩祥云

作者:Kyle Lawrence(ADI公司)時間:2019-08-23來源:電子産品世界收藏

高功率在现代照明系统中的應用数量不断激增,涵盖汽车前照灯、工业/商业标识、建筑照明以及各種消費電子等應用。行业之所以转向技術,是因爲固態照明與傳統光源相比具有明顯的優勢:電能轉換爲光輸出不僅效率高,而且使用壽命長。

本文引用地址:/article/201908/404046.htm

隨著越來越多的應用采用照明,为了提高光输出,对LED更高电流的需求也日益增长。驱动大电流LED串的最大挑战之一是在功率轉換器级保持高效率,从而提供稳定调节的LED电流。功率轉換器效率不高体现为电流调节器電路的開關元件引起的发热现象。

LT3762是一款同步升壓型LED,旨在减少高功率升压型LED驱动器系统中常见的效率损耗源。该器件的同步运行可最大限度地减少异步DC-DC轉換器中箝位二极管的正向压降通常会产生的损耗。这一效率提升使LT3762能够提供比类似异步升压型LED驱动器更高的输出电流,特别是在低输入电压时。为了改善低输入电压时的工作性能,通过配置一个板载DC-DC稳压器,即使输入电压降至7.5 V以下,也能为栅极驱动電路提供7.5 V的电压。在低输入电压條件下提供强大的栅极驱动电压源,使得MOSFET在输入电压降低时产生较少的热量,从而使工作电压输入范围最低达3 V。

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图1. LT3762演示電路(DC2342A)可在宽输入电压范围内以2 A(最高32 V)驱动LED

通过额外的MOSFET和电容可轻松修改该演示電路,以提高输出功率。

該款升壓型LED可配置为在100 kHz至1 MHz固定開關频率之间工作,提供?30% × fSW展頻調制選項,以降低與開關相關的EMI能量峰值。LT3762可采用升壓、降壓或升壓/降壓拓撲驅動LED。高端PMOS斷開開關有助于PWM調光,並在LED處于開路/短路狀態時保護器件免受潛在損害。

LT3762采用内部PWM发生器,利用单个电容和一个直流电压来设置频率和脉冲宽度,以实现高达250:1的PWM调光比,也可使用外部PWM信号实现高达3000:1的调光比。图2中的原理图顯示使用LT3762的演示電路應用(DC2342A),其中LT3762配置为在4 V至28 V的输入电压范围内以2 A(最高32 V)驱动LED。LT3762同步升压型LED采用4 mm × 5 mm QFN封装和28引脚TSSOP封装。

同步開關

在異步DC-DC轉換器拓撲中,肖特基箝位二極管用作無源開關,以簡化轉換器對單個MOSFET進行脈沖寬度調制的控制方案。雖然這確實簡化了控制,但它限制了輸出電流的大小。肖特基二極管與PN結器件一樣,在任何電流通過器件之前都會具有正向壓降。由于肖特基二極管的功耗是其正向壓降與電流的乘積,因此輸出電流水平過高將産生數瓦的導通功耗,從而使肖特基二極管升溫,最終導致轉換器效率降低。

LT3762同步開關轉換器与异步轉換器不同,不会有输出电流受限的情况,这是因为同步轉換器采用第二MOSFET代替肖特基二极管。MOSFET与肖特基二极管不同,它没有正向压降。相反,当MOSFET处于完全增强状态时,其漏极到源极间的电阻非常小。在大电流下,MOSFET产生的导通损耗远低于肖特基二极管,因为功耗与漏源电阻的平方和通过器件的电流的乘积成正比。即使在最低7 V的全功率输入电压下,MOSFET也只会面临大约30°C的温升(如图3所示)。

低輸入電壓工作

高功率升压型LED控制器的另一个挑战发生在低輸入電壓工作期间。大多数升压型DC-DC稳压器IC使用由器件输入端供电的内部LDO稳压器,为IC中的模拟和数字控制電路提供较低的电压電源。在从内部LDO稳压器获取電源的電路中,栅极驱动器消耗的功率最大,并且它的性能受LDO稳压器输出波动的影响。当输入电压降至LDO的输出电压以下时,LDO输出开始骤降,这将限制栅极驱动器正常增强MOSFET的能力。当MOSFET处于未完全增强状态时,它们工作于较高电阻状态,因此当电流通过器件时会以热量形式耗散功率。

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图2. 32 V、2 A LT3762升压型LED驱动器

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图3. 在相同测试條件下,选用类似的元件,同步LT3762(左图)驱动2 A、32 V的LED串,其温升远低于异步LT3755-2電路(右图)。这种热性能的提高归功于以同步MOSFET代替肖特基箝位二極管,從而可消除二極管正向壓降引起的損耗。

升压轉換器拓扑中的低輸入電壓工作特性将导致输入电流较高,当该电流必须流过电阻更大的MOSFET器件时,会加剧导通损耗。根据稳压器IC的栅极驱动电压,这会严重限制器件可实现且不发生过热的低输入电压范围。

LT3762采用集成式降压-升压型DC-DC稳压器,而非LDO稳压器,即使输入电压很低时,也可为内部電路提供7.5 V的电压。该降压-升压型稳压器仅占用LT3762 IC的三个引脚,只需两个额外元件。与具有4.5 V和6 V最小输入电压的内部LDO控制器器件相比,LT3762能够将输入电压工作范围下限扩展至3 V。降压-升压型轉換器的7.5 V输出可为栅极驱动器提供電源,并允许使用6 V/7 V栅极驱动MOSFET。MOSFET的栅极驱动电压越高,往往漏源电阻就越低,并且与栅极驱动电压较低的类似器件相比,(除開關损耗以外)工作效率更高。

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图4. 32 V、2 A LT3762 LED驱动器可在宽输入范围内保持高效率。

低VIN折返有助于避免过大的開關/电感电流。异步開關以24 V输入电压启动。

靈活的拓撲

與ADI公司大多數其他升壓型LED驅動器一樣,LT3762驅動LED的模式可重新配置,既可采用升壓配置,也可采用降壓、升壓-降壓和降壓-升壓模式。在這些升壓型轉換器的拓撲變體中,利用ADI公司獲得專利的升壓-降壓模式配置可作爲升壓/降壓型轉換器工作,同時還具有低EMI工作的優勢。該拓撲利用兩個電感,一個面向輸入,另一個則面向輸出,幫助濾除開關所産生的噪聲。這兩個電感有助于抑制耦合到輸入電源、可能連接的其他器件以及LED負載的EMI。

还可在升压-降压模式的拓扑中添加额外電路,以提供LED–节点到GND的短路保护。图5中的原理图顯示LT3762采用升压-降压模式配置,并增加了该保护電路。当LED–短路到GND时,会强制關閉M4,以阻断经过电感到输入的导通路径并防止过度消耗电流。强制關閉M4时,D3将EN/UVLO引脚拉至低电平,从而在消除短路前阻止轉換器開關。将这一额外保护電路与LT3762的内置开路/短路检测结合使用,就能获得一个能够应对恶劣环境中各種故障状况的强健解决方案。

結論

异步升压型轉換器正常工作时,通常很难避免在提供高输出电流时,不会产生大量的功率损失并造成箝位二极管发热。除了肖特基二极管产生的损耗之外,这些轉換器在输入电压降低时难以保持最大功率输出能力,这限制了输入范围内的功率输出。异步DC-DC轉換器根本无法适用于更高功率水平,因此必须采用同步開關方案以满足應用规格要求。LT3762升压型LED控制器通过其同步開關解决了提供大电流输出的问题,由于采用了板载DC-DC轉換器,它能够在更低的输入电压下工作,并且可灵活采用各種電路拓扑。

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图5. LT3762采用25 V、1.5 A升压-降压配置,带有额外的LED–至GND的短路保护。

作者簡介

Kyle Lawrence [kyle.lawrence@analog.com]是ADI公司應用工程师。他负责設計和测试各種DC-DC轉換器,包括针对低EMI汽车應用的4開關降压-升压稳压器和LED驱动器。他2014年毕业于加州大学圣克鲁兹分校,获电气工程学士学位。



關鍵詞: LED 控制器

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