低輸入電壓下,同步升壓型轉(zhuǎn)換器怎樣實現(xiàn)大電流LED供電

高功率LED在現(xiàn)代照明系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)量不斷激增，涵蓋汽車前照燈、工業(yè)/商業(yè)標識、建筑照明以及各種消費電子等應(yīng)用。行業(yè)之所以轉(zhuǎn)向LED技術(shù)，是因為固態(tài)照明與傳統(tǒng)光源相比具有明顯的優(yōu)勢：電能轉(zhuǎn)換為光輸出不僅效率高，而且使用壽命長。

隨著越來越多的應(yīng)用采用LED照明，為了提高光輸出，對LED更高電流的需求也日益增長。驅(qū)動大電流LED串的最大挑戰(zhàn)之一是在功率轉(zhuǎn)換器級保持高效率，從而提供穩(wěn)定調(diào)節(jié)的LED電流。功率轉(zhuǎn)換器效率不高體現(xiàn)為電流調(diào)節(jié)器電路的開關(guān)元件引起的發(fā)熱現(xiàn)象。

LT3762是一款同步升壓型LED控制器，旨在減少高功率升壓型LED驅(qū)動器系統(tǒng)中常見的效率損耗源。該器件的同步運行可最大限度地減少異步DC-DC轉(zhuǎn)換器中箝位二極管的正向壓降通常會產(chǎn)生的損耗。這一效率提升使LT3762能夠提供比類似異步升壓型LED驅(qū)動器更高的輸出電流，特別是在低輸入電壓時。為了改善低輸入電壓時的工作性能，通過配置一個板載DC-DC穩(wěn)壓器，即使輸入電壓降至7.5 V以下，也能為柵極驅(qū)動電路提供7.5 V的電壓。在低輸入電壓條件下提供強大的柵極驅(qū)動電壓源，使得MOSFET在輸入電壓降低時產(chǎn)生較少的熱量，從而使工作電壓輸入范圍最低達3 V。

圖1. LT3762演示電路(DC2342A)可在寬輸入電壓范圍內(nèi)以2 A（最高32 V）驅(qū)動LED。通過額外的MOSFET和電容可輕松修改該演示電路，以提高輸出功率。

該款升壓型LED控制器可配置為在100 kHz至1 MHz固定開關(guān)頻率之間工作，提供?30% × fSW展頻調(diào)制選項，以降低與開關(guān)相關(guān)的EMI能量峰值。LT3762可采用升壓、降壓或升壓/降壓拓撲驅(qū)動LED。高端PMOS斷開開關(guān)有助于PWM調(diào)光，并在LED處于開路/短路狀態(tài)時保護器件免受潛在損害。

LT3762采用內(nèi)部PWM發(fā)生器，利用單個電容和一個直流電壓來設(shè)置頻率和脈沖寬度，以實現(xiàn)高達250:1的PWM調(diào)光比，也可使用外部PWM信號實現(xiàn)高達3000:1的調(diào)光比。圖2中的原理圖顯示使用LT3762的演示電路應(yīng)用(DC2342A)，其中LT3762配置為在4 V至28 V的輸入電壓范圍內(nèi)以2 A（最高32 V）驅(qū)動LED。LT3762同步升壓型LED控制器采用4 mm × 5 mm QFN封裝和28引腳TSSOP封裝。

同步開關(guān)

在異步DC-DC轉(zhuǎn)換器拓撲中，肖特基箝位二極管用作無源開關(guān)，以簡化轉(zhuǎn)換器對單個MOSFET進行脈沖寬度調(diào)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(jié)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產(chǎn)生數(shù)瓦的導(dǎo)通功耗，從而使肖特基二極管升溫，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器效率降低。

LT3762同步開關(guān)轉(zhuǎn)換器與異步轉(zhuǎn)換器不同，不會有輸出電流受限的情況，這是因為同步轉(zhuǎn)換器采用第二MOSFET代替肖特基二極管。MOSFET與肖特基二極管不同，它沒有正向壓降。相反，當MOSFET處于完全增強狀態(tài)時，其漏極到源極間的電阻非常小。在大電流下，MOSFET產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗遠低于肖特基二極管，因為功耗與漏源電阻的平方和通過器件的電流的乘積成正比。即使在最低7 V的全功率輸入電壓下，MOSFET也只會面臨大約30°C的溫升（如圖3所示）。

低輸入電壓工作

高功率升壓型LED控制器的另一個挑戰(zhàn)發(fā)生在低輸入電壓工作期間。大多數(shù)升壓型DC-DC穩(wěn)壓器IC使用由器件輸入端供電的內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器，為IC中的模擬和數(shù)字控制電路提供較低的電壓電源。在從內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器獲取電源的電路中，柵極驅(qū)動器消耗的功率最大，并且它的性能受LDO穩(wěn)壓器輸出波動的影響。當輸入電壓降至LDO的輸出電壓以下時，LDO輸出開始驟降，這將限制柵極驅(qū)動器正常增強MOSFET的能力。當MOSFET處于未完全增強狀態(tài)時，它們工作于較高電阻狀態(tài)，因此當電流通過器件時會以熱量形式耗散功率。

圖2. 32 V、2 A LT3762升壓型LED驅(qū)動器。

圖3. 在相同測試條件下，選用類似的元件，同步LT3762（左圖）驅(qū)動2 A、32 V的LED串，其溫升遠低于異步LT3755-2電路（右圖）。這種熱性能的提高歸功于以同步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。

升壓轉(zhuǎn)換器拓撲中的低輸入電壓工作特性將導(dǎo)致輸入電流較高，當該電流必須流過電阻更大的MOSFET器件時，會加劇導(dǎo)通損耗。根據(jù)穩(wěn)壓器IC的柵極驅(qū)動電壓，這會嚴重限制器件可實現(xiàn)且不發(fā)生過熱的低輸入電壓范圍。

LT3762采用集成式降壓-升壓型DC-DC穩(wěn)壓器，而非LDO穩(wěn)壓器，即使輸入電壓很低時，也可為內(nèi)部電路提供7.5 V的電壓。該降壓-升壓型穩(wěn)壓器僅占用LT3762 IC的三個引腳，只需兩個額外元件。與具有4.5 V和6 V最小輸入電壓的內(nèi)部LDO控制器器件相比，LT3762能夠?qū)⑤斎腚妷汗ぷ鞣秶孪迶U展至3 V。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器的7.5 V輸出可為柵極驅(qū)動器提供電源，并允許使用6 V/7 V柵極驅(qū)動MOSFET。MOSFET的柵極驅(qū)動電壓越高，往往漏源電阻就越低，并且與柵極驅(qū)動電壓較低的類似器件相比，（除開關(guān)損耗以外）工作效率更高。

圖4. 32 V、2 A LT3762 LED驅(qū)動器可在寬輸入范圍內(nèi)保持高效率。低VIN折返有助于避免過大的開關(guān)/電感電流。異步開關(guān)以24 V輸入電壓啟動。

靈活的拓撲

與ADI公司大多數(shù)其他升壓型LED驅(qū)動器一樣，LT3762驅(qū)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(zhuǎn)換器的拓撲變體中，利用ADI公司獲得專利的升壓-降壓模式配置可作為升壓/降壓型轉(zhuǎn)換器工作，同時還具有低EMI工作的優(yōu)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(guān)所產(chǎn)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。

還可在升壓-降壓模式的拓撲中添加額外電路，以提供LED–節(jié)點到GND的短路保護。圖5中的原理圖顯示LT3762采用升壓-降壓模式配置，并增加了該保護電路。當LED–短路到GND時，會強制關(guān)閉M4，以阻斷經(jīng)過電感到輸入的導(dǎo)通路徑并防止過度消耗電流。強制關(guān)閉M4時，D3將EN/UVLO引腳拉至低電平，從而在消除短路前阻止轉(zhuǎn)換器開關(guān)。將這一額外保護電路與LT3762的內(nèi)置開路/短路檢測結(jié)合使用，就能獲得一個能夠應(yīng)對惡劣環(huán)境中各種故障狀況的強健解決方案。

結(jié)論

異步升壓型轉(zhuǎn)換器正常工作時，通常很難避免在提供高輸出電流時，不會產(chǎn)生大量的功率損失并造成箝位二極管發(fā)熱。除了肖特基二極管產(chǎn)生的損耗之外，這些轉(zhuǎn)換器在輸入電壓降低時難以保持最大功率輸出能力，這限制了輸入范圍內(nèi)的功率輸出。異步DC-DC轉(zhuǎn)換器根本無法適用于更高功率水平，因此必須采用同步開關(guān)方案以滿足應(yīng)用規(guī)格要求。LT3762升壓型LED控制器通過其同步開關(guān)解決了提供大電流輸出的問題，由于采用了板載DC-DC轉(zhuǎn)換器，它能夠在更低的輸入電壓下工作，并且可靈活采用各種電路拓撲。

作者：Kyle Lawrence