圖1. LED燈具成本的細分¹

 

降低整體燈具成本的一種方法是在產品規格允許的範圍內，在可能最高的直流電流下驅動LED。此電流可能遠高於其“分檔電流”。如果正常驅動，這樣可能產生更高的流明/成本比率。

 

圖2. LED光輸出和效率與驅動電流²

 

但是，這種做法需要更高電流驅動器。很多解決方案在低電流下(<500 mA)驅動LED，但很少有高電流（700 mA至4 A）的選擇方案。這一現象似乎令人驚訝，因為半導體行業有大量的容量達到4 A的DC-DC解決方案，但它們的設計目的是控製 電壓
， 而不是控製LED電流。本文將探討將現成DC-DC降壓穩壓器轉換為智能LED驅動器的一些簡單技巧。

 

降壓穩壓器對輸入電壓進行斬波，並通過LC濾波器傳送
，以提供穩定的輸出
，如圖3所示。它使用兩個有源元件和兩個無源元件。有源元件是從輸入到電感的開關“A”，以及從地麵到電感的開關（或二極管）“B”。無源元件是電感(L)和輸出電容(C_OUT)它們形成LC濾波器，可以減小由有源元件產生的紋波。

 

圖3. 基本降壓方案³

 

如果開關是內部的
，則降壓器稱為穩壓器如果開關是外部的，則稱為 控製器如果兩個開關都是晶體管（MOSFET或BJT），則它是同步 的，如果底部的開關是使用二極管實施的
，則它是 異步 的。這些類型的降壓電路各有優劣，但同步降壓穩壓器通常可以優化效率、器件數量、解決方案成本和電路板麵積。遺憾的是，用於驅動高電流LED（高達4 A）的同步降壓穩壓器很少，而且成本昂貴。本文以ADP2384為例，展示如何修改標準同步降壓穩壓器的連接以調節LED電流。

 

ADP2384高效同步降壓穩壓器指定最高4 A的輸出電流，具有最高20 V的輸入電壓。圖4顯示了用於調節輸出電壓的正常連接。

 

圖4. 連接用於調節輸出電壓的ADP2384

 

在工作中，經過分壓的輸出電壓連接到FB引腳，與內部600 mV基準進行比較
，用於生成開關的適當占空比。在穩態下，FB引腳保持在600 mV，因此V_OUT調節至600 mV乘以分頻比。如果上方的電阻被LED取代（圖5）
，則輸出電壓必須是需要的任何值（在額定值範圍內）
，將FB維持在600 mV；因此，通過LED的電流被控製在600 mV/R_SENSE。

 

圖5. 基本（但不高效）的LED驅動器

 

當從FB到地麵的精密電阻設置LED電流時，此電路使用效果很好


，但電阻消耗了很多功率： P = 600 mV × I_LED 對於低LED電流
，這不是大問題，但在高LED電流下，低效率會大幅增加燈具散發的熱量(600 mV × 4 A = 2.4 W)。降低FB基準電壓可以成比例降低功耗
，但大多數DC-DC穩壓器沒有調節此基準的方式。幸運的是，兩個技巧可降低大多數降壓穩壓器的基準電壓：使用SS/TRK引腳—或偏移R_SENSE 電壓。

 

很多通用降壓IC包括軟啟動(SS)或跟蹤(TRK)引腳。SS引腳可緩慢增加啟動時的開關占空比，從而最大程度地減小啟動瞬變。TRK引腳讓降壓穩壓器能夠遵循獨立電壓。這些功能通常結合到單個SS/TRK引腳上。大多數情況下
，誤差放大器將SS
、TRK和FB電壓中的最小值與基準進行比較，如圖6所示。

 

圖6. 使用ADP2384的軟啟動引腳工作

 

對於燈具應用，將SS/TRK引腳設置為固定電壓，並將其用作新的FB基準。恒壓分壓器充當基準電壓源非常有效。例如
，很多降壓穩壓器IC包括受控低壓輸出—如ADP2384上的V_REG引腳。為了達到更高精度，可以使用簡單的2引腳外部精密基準電壓源，例如 ADR5040在任何情況下


，從該電源到SS/TRK引腳的電阻分壓器形成新的基準電壓源。將此電壓設置在100 mV和200 mV之間，通常可以提供功耗和LED電流精度之間的最佳平衡。用戶選擇的基準電壓的另一個優點是R_SENSE可以選擇方便的標準值，從而避免指定或分配任意精密電阻值來設置LED電流的開支和不精確性。

 

圖7. 使用SS/TRK引腳以降低FB基準電壓

 

使用SS或TRK引腳方法並非對於所有降壓穩壓器都是可行的，因為有些IC沒有這些引腳。另外，對於某些降壓IC，SS引腳會改變峰值電感電流，而不是FB基準，因此必須仔細查看產品數據手冊。作為一種替代方法，可以產生R_SENSE電壓偏移。例如，精密電壓源和R_SENSE之間的電阻分壓器提供從R_SENSE 到FB引腳的相當恒定的偏移電壓（圖8）

 

圖8. 產生RSENSE電壓偏移

 

電阻分壓器的必需值可以使用公式1計算，其中V_SUP是輔助調節電壓，F_BREF(NEW)是R_SENSE兩端的目標電壓。

 

 

因此，可使用以下公式獲取150 mV的有效反饋基準，其中R2 = 1 kΩ，V_SUP = 5 V:        

 

 

LED電流為：:           

 

 

這種方法不需要SS或TRK引腳。FB引腳仍然調節至600 mV（但R_SENSE的電壓調節至F_BREF(NEW)）。這意味著芯片的其他功能（包括軟啟動、跟蹤和電源良好指示）仍將正常運行。

 

這種方法的缺點是R_SENSE和FB之間的偏移受到電源精度的嚴重影響。使用ADR5040等精密基準電壓源可能是理想的，但不太精確的±5%基準容差可能在LED電流上產生±12%的變化。表1顯示了比較結果：

 

表1. SS/TRK和偏移RSENSE的比較

 

精確電流調節的另一個關鍵是適當布局連接至檢測電阻。4引腳檢測電阻是理想之選
，但可能成本比較昂貴。借助良好的布局技術，我們可以使用傳統的2引腳電阻實現高精度
，如圖9所示。4

 

圖9.RSENSE的建議PCB走線路徑

 

除調節之外的功能

 

使用現成的降壓穩壓器調節LED電流非常簡單。此處的示例采用了ADP2384。更加詳盡的論文還包括使用ADP2441的示例，該器件的引腳較少

，具有36 V輸入電壓範圍。該文顯示了一些示例
，展示如何實施專用LED降壓穩壓器提供的很多“智能”功能，例如LED短路/開路故障保護、R_SENSE 開路/短路故障保護、PWM調光
、模擬調光和電流折返熱保護。我們在本文中將使用上例中的ADP2384
，討論PWM和模擬調光、電流折返。

 

使用PWM和模擬控製進行調光

 

“智能”LED驅動器的一個關鍵要求是使用 調光製來調節LED亮度，采用以下兩種方法之一：PWM和模擬。PWM調光通過調節脈衝占空比來控製LED電流。如果頻率高於120 Hz
，人眼會均衡這些脈衝，以產生可感知的平均光度。模擬調光可在恒定直流值下調節LED電流。

 

可通過打開和關閉與R_SENSE串聯插入的NMOS開關
，實施PWMtiaoguang。zhexiedianliushuipingkenengxuyaogonglvqijian
，dantianjiagonglvqijianhuidixiaotongguoshiyongbaohanzishendianyuankaiguandejiangyawenyaqihuodededaxiaohechengbenyichu。huozhe，keyitongguokuaisudakaiheguanbiwenyaqilaizhixingPWM調光。在低PWM頻率下(<1 kHz)
，這樣仍然可以提供良好的精度（圖10）。

 

圖10. ADP2384 PWM調光線性度—200 Hz下的輸出電流與占空比

 

與所有通用降壓穩壓器相同，ADP2384沒有針腳來應用PWM調光輸入，但可以操控FB引腳以啟用和禁用開關。如果FB變為高電平，則誤差放大器變為低電平
，降壓開關停止。如果FB重新連接到RSENSE則它將恢複正常調節。這可以通過低電流NMOS晶體管或通用二極管實現。在圖11中
，高PWM信號將R_SENSE連接到FB，實現LED調節。低PWM信號關閉NMOS
，有一個上拉電阻將FB電平變為高電平。

 

圖11. 使用ADP2384進行PWM調光

 

雖然pwm調光非常流行，但有時我們需要無噪聲的“模擬”調光。模擬調光隻是調節恒定led電流，而pwm調光則進行斬波。如果使用兩個調光輸入，則需要模擬調光，因為多個pwm調光信號可能產生拍頻
，導致閃爍或聲頻噪聲。但是

，可將pwm用於一個調光控製
，而將模擬用於另一個調光控製。使用通用降壓穩壓器，實施模擬調光的最簡單方法是通過調節fb基準電路的電源，控製fb基準
，如圖12所示。

 

圖12. 模擬調光電路

 

熱折返

 

由於LED的使用壽命在很大程度上取決於其工作結溫

，有時必須監控LED溫度，如果溫度過高，必須做出響應。導致異常高溫的原因可能是散熱器連接不當、周邊溫度過熱或其他一些極端條件。常見解決方案是在當溫度超過某個閾值時減小LED電流（圖13）。這稱為LED 熱折返。

 

圖13. 需要的LED熱折返曲線

 

在這種類型的調光中，LED保持在滿載電流

，直至到達溫度閾值(T1)，在這個閾值之上，LED電流隨溫度升高開始降低。這樣可以限製LED的結溫，保持它們的使用壽命。低成本NTC（負溫度係數）電阻通常用於測量LED的散熱器溫度。通過對模擬調光方案進行細微修改，NTC的溫度可以輕鬆控製LED電流。如果SS/TRK引腳用於控製FB基準，則可以使用一種簡單方法，將NTC與基準電壓並聯放置（圖14）。

 

圖14. 使用SS/TRK的LED熱折返

 

隨著散熱器溫度升高
，NTC電阻下降。NTC形成R3的電阻分壓器。如果分壓器的電壓高於基準電壓

，則輸出最大電流
；如果NTC電阻電壓降低到基準電壓之下，然後降低到FB基準電壓之下，則LED電流開始下降。

 

結論

 

這些技巧應該作為使用標準降壓穩壓器實施全麵LED功能的一般指導準則。但是，由於這些功能有一點超出降壓IC的目標應用範圍
，因此您最好聯係半導體製造商
，確認IC能夠處理這些工作模式。要獲得有關ADP2384和其他降壓穩壓器（例如ADP2441）的更多信息，或者需要這些LED驅動器解決方案的演示板，請訪問:www.analog.com/lighting.

 

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參考電路

 

¹DOE SSL 2011 Manufacturing Roadmap. http://ssl.energy.gov.

 

²Cox, David, Don Hirsh, and Michael McClintic. “Are you using all of the lumens that you paid for?” LED Magazine, Feb. 2012.

 

³Marasco, Ken. “How to Apply DC-to-DC Step-Down (Buck) Regulators Successfully.” Analog Dialogue, Vol. 45, No. 2 (2011).

 

⁴O’Sullivan, Marcus. “Optimize High-Current Sensing Accuracy by Improving Pad Layout of Low-Value Shunt Resistors.” Analog Dialogue, Vol. 46, No. 2 (2012).

 

 

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