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將降壓調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為智能可調(diào)光LED驅(qū)動器

發(fā)布時間:2020-04-09 來源:Jon Kraft 責任編輯:wenwei

【導讀】憑借使用壽命長和功耗低的優(yōu)勢,LED有望改變整個照明行業(yè),但它的快速采用面臨的主要障礙是LED本身的成本居高不下。LED燈具(完整電力照明設備)的成本各不相同,但LED的成本通常占據(jù)了整個燈具成本的大約25%至40%,而且預期在今后多年內(nèi)仍會占據(jù)很高比例(圖1)。
 
將降壓調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為智能可調(diào)光LED驅(qū)動器
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(chǎn)品規(guī)格允許的范圍內(nèi),在可能最高的直流電流下驅(qū)動LED。此電流可能遠高于其“分檔電流”。如果正常驅(qū)動,這樣可能產(chǎn)生更高的流明/成本比率。
 
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圖2. LED光輸出和效率與驅(qū)動電流2
 
但是,這種做法需要更高電流驅(qū)動器。很多解決方案在低電流下(<500 mA)驅(qū)動LED,但很少有高電流(700 mA至4 A)的選擇方案。這一現(xiàn)象似乎令人驚訝,因為半導體行業(yè)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制 電壓, 而不是控制LED電流。本文將探討將現(xiàn)成DC-DC降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為智能LED驅(qū)動器的一些簡單技巧。
 
降壓穩(wěn)壓器對輸入電壓進行斬波,并通過LC濾波器傳送,以提供穩(wěn)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”,以及從地面到電感的開關(或二極管)“B”。無源元件是電感(L)和輸出電容(COUT)它們形成LC濾波器,可以減小由有源元件產(chǎn)生的紋波。
 
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圖3. 基本降壓方案3
 
如果開關是內(nèi)部的,則降壓器稱為穩(wěn)壓器如果開關是外部的,則稱為 控制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(yōu)劣,但同步降壓穩(wěn)壓器通??梢詢?yōu)化效率、器件數(shù)量、解決方案成本和電路板面積。遺憾的是,用于驅(qū)動高電流LED(高達4 A)的同步降壓穩(wěn)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(wěn)壓器的連接以調(diào)節(jié)LED電流。
 
ADP2384高效同步降壓穩(wěn)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顯示了用于調(diào)節(jié)輸出電壓的正常連接。
 
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圖4. 連接用于調(diào)節(jié)輸出電壓的ADP2384
 
在工作中,經(jīng)過分壓的輸出電壓連接到FB引腳,與內(nèi)部600 mV基準進行比較,用于生成開關的適當占空比。在穩(wěn)態(tài)下,F(xiàn)B引腳保持在600 mV,因此VOUT調(diào)節(jié)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(在額定值范圍內(nèi)),將FB維持在600 mV;因此,通過LED的電流被控制在600 mV/RSENSE
 
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圖5. 基本(但不高效)的LED驅(qū)動器
 
當從FB到地面的精密電阻設置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 × ILED 對于低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(fā)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(shù)DC-DC穩(wěn)壓器沒有調(diào)節(jié)此基準的方式。幸運的是,兩個技巧可降低大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器的基準電壓:使用SS/TRK引腳—或偏移RSENSE 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(wěn)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(shù)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。
 
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圖6. 使用ADP2384的軟啟動引腳工作
 
對于燈具應用,將SS/TRK引腳設置為固定電壓,并將其用作新的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(wěn)壓器IC包括受控低壓輸出—如ADP2384上的VREG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??梢蕴峁┕暮蚅ED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(yōu)點是RSENSE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。
 
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圖7. 使用SS/TRK引腳以降低FB基準電壓
 
使用SS或TRK引腳方法并非對于所有降壓穩(wěn)壓器都是可行的,因為有些IC沒有這些引腳。另外,對于某些降壓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(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊。作為一種替代方法,可以產(chǎn)生RSENSE電壓偏移。例如,精密電壓源和RSENSE之間的電阻分壓器提供從RSENSE 到FB引腳的相當恒定的偏移電壓(圖8)
 
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圖8. 產(chǎn)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VSUP是輔助調(diào)節(jié)電壓,F(xiàn)BREF(NEW)是RSENSE兩端的目標電壓。
 
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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,VSUP = 5 V:        
 
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LED電流為::           
 
將降壓調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為智能可調(diào)光LED驅(qū)動器
 
這種方法不需要SS或TRK引腳。FB引腳仍然調(diào)節(jié)至600 mV(但RSENSE的電壓調(diào)節(jié)至FBREF(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RSENSE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(chǎn)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
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精確電流調(diào)節(jié)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(tǒng)的2引腳電阻實現(xiàn)高精度,如圖9所示。4
 
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圖9.RSENSE的建議PCB走線路徑
 
除調(diào)節(jié)之外的功能
 
使用現(xiàn)成的降壓穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)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輸入電壓范圍。該文顯示了一些示例,展示如何實施專用LED降壓穩(wěn)壓器提供的很多“智能”功能,例如LED短路/開路故障保護、RSENSE 開路/短路故障保護、PWM調(diào)光、模擬調(diào)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(diào)光、電流折返。
 
使用PWM和模擬控制進行調(diào)光
 
“智能”LED驅(qū)動器的一個關鍵要求是使用 調(diào)光制來調(diào)節(jié)LED亮度,采用以下兩種方法之一:PWM和模擬。PWM調(diào)光通過調(diào)節(jié)脈沖占空比來控制LED電流。如果頻率高于120 Hz,人眼會均衡這些脈沖,以產(chǎn)生可感知的平均光度。模擬調(diào)光可在恒定直流值下調(diào)節(jié)LED電流。
 
可通過打開和關閉與RSENSE串聯(lián)插入的NMOS開關,實施PWM調(diào)光。這些電流水平可能需要功率器件,但添加功率器件會抵消通過使用包含自身電源開關的降壓穩(wěn)壓器獲得的大小和成本益處?;蛘?,可以通過快速打開和關閉穩(wěn)壓器來執(zhí)行PWM調(diào)光。在低PWM頻率下(<1 kHz),這樣仍然可以提供良好的精度(圖10)。
 
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圖10. ADP2384 PWM調(diào)光線性度—200 Hz下的輸出電流與占空比
 
與所有通用降壓穩(wěn)壓器相同,ADP2384沒有針腳來應用PWM調(diào)光輸入,但可以操控FB引腳以啟用和禁用開關。如果FB變?yōu)楦唠娖?,則誤差放大器變?yōu)榈碗娖?,降壓開關停止。如果FB重新連接到RSENSE則它將恢復正常調(diào)節(jié)。這可以通過低電流NMOS晶體管或通用二極管實現(xiàn)。在圖11中,高PWM信號將RSENSE連接到FB,實現(xiàn)LED調(diào)節(jié)。低PWM信號關閉NMOS,有一個上拉電阻將FB電平變?yōu)楦唠娖健?/div>
 
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圖11. 使用ADP2384進行PWM調(diào)光
 
雖然pwm調(diào)光非常流行,但有時我們需要無噪聲的“模擬”調(diào)光。模擬調(diào)光只是調(diào)節(jié)恒定led電流,而pwm調(diào)光則進行斬波。如果使用兩個調(diào)光輸入,則需要模擬調(diào)光,因為多個pwm調(diào)光信號可能產(chǎn)生拍頻,導致閃爍或聲頻噪聲。但是,可將pwm用于一個調(diào)光控制,而將模擬用于另一個調(diào)光控制。使用通用降壓穩(wěn)壓器,實施模擬調(diào)光的最簡單方法是通過調(diào)節(jié)fb基準電路的電源,控制fb基準,如圖12所示。
 
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圖12. 模擬調(diào)光電路
 
熱折返
 
由于LED的使用壽命在很大程度上取決于其工作結溫,有時必須監(jiān)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。
 
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圖13. 需要的LED熱折返曲線
 
在這種類型的調(diào)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。這樣可以限制LED的結溫,保持它們的使用壽命。低成本NTC(負溫度系數(shù))電阻通常用于測量LED的散熱器溫度。通過對模擬調(diào)光方案進行細微修改,NTC的溫度可以輕松控制LED電流。如果SS/TRK引腳用于控制FB基準,則可以使用一種簡單方法,將NTC與基準電壓并聯(lián)放置(圖14)。
 
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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于基準電壓,則輸出最大電流;如果NTC電阻電壓降低到基準電壓之下,然后降低到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(wěn)壓器實施全面LED功能的一般指導準則。但是,由于這些功能有一點超出降壓IC的目標應用范圍,因此您最好聯(lián)系半導體制造商,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(wěn)壓器(例如ADP2441)的更多信息,或者需要這些LED驅(qū)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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