LED 驱动器应用中升压转换器的简单开路保护

作者：John Caldwell，德州仪器 (TI) 模拟应用工程师
Gregory Amidon，德州仪器 (TI) 模拟应用工程师

引言

驱动高亮度 LED 的一种方法是对标准升压转换器拓扑进行修改，以驱动恒定电流通过负载。但是，这种实施方法存在一个严重问题，因为 LED 串中出现的开路故障会移除负载电流的通路。由于来自转换器（此时在无反馈情况下工作）的高输出电压，这样可能会对电路造成潜在损坏。本文为您介绍一种简单的健壮开路故障保护方法，其使用一个齐纳二极管和一个电阻器，并且对总效率的影响可以忽略不计。通过将一个高压升压转换器配置为一个恒流驱动器，用于驱动 3 支高亮度白光 LED，并在输出端产生一个模拟故障状态，我们可以验证这种拓扑结构的功能性。该电路将输出电压控制在某个安全水平，并在受保护状态下减少输出电流。

典型高亮度 LED 升压转换器

我们常常对转换器进行修改，以在单节锂离子(Li-Ion)、碱性及其它应用中驱动高亮度 LED。在这些应用中，LED 串的电压超出了电池或者电源轨电压。在标准升压配置结构中，利用一个分压器产生电路的反馈电压 VFB，从而对输出电压 VOUT 进行监控。转换器对输出电压进行调节，让 VFB 始终都等于片上参考电压 VREF。这种拓扑为自适应型，可用负载代替反馈分压器中的上层电阻器，从而保持恒定电流而非恒定电压，如图 1 中 LED 串所示。负载电流依赖于升压转换器的片上参考电压，其计算方法如下：



这种简单实施方法存在的一个严重问题是，LED 串中出现的开路故障会移除负载电流的通路。当没有电流流过反馈电阻器 RSET 时，VFB 被下拉至接地。作为响应，升压转换器会尽可能地增加其工作占空比至最大值，目的是在反馈 (FB)针脚上维持正确的电压。利用理想化的升压转换器传输函数表明，当转换器接近其最大占空比时，可以产生高输出电压 (VOUT)。请思考一个90%（常用值）典型最大占空比且 5V 输入的升压转换器：



转换器输出端高压带来发生多次故障的可能性。这种电压可能会超出内部或者外部开关式器件或者无源组件的额定值。另外，如果在没有采取保护措施的情况下操作电路，它还会给用户带来潜在危险，并可能会在连接时损坏负载。


图 1 无开路保护 LED 驱动器高压升压转换器结构

保护电路

在出现开路状态时，负载电流必须有一条备用通路。尽管将一个电阻器与 LED 串并联可以提供一条通路，但其并不理想，因为它会引起巨大的效率损失。替代配置（图 2）由一个齐纳二极管和一个电阻器组成，可提供足够的系统保护，并且效率损失微乎其微。


图 2 有开路保护 LED 驱动器电路

当负载电流通路被移除时，输出电压上升，直到齐纳二极管 ZD1 开启，同时电流流经 RPRO 和 RSET 接地。输出电流由 RPRO 和 RSET 的串联组合决定，因为 VFB 受到驱动后等于内部带隙参考电压 VREF。因此，输出保护电流默认为：



我们为齐纳二极管选择一个电压，以使正常电路工作期间没有电流流经它。为了确保该二极管在正常运行期间完全关闭，所选电压应至少高于最大负载电压 2V，但小于升压转换器的规定最大输出电压。这样，电路设计人员便不会经常被迫增加输出电容器 C2 和 C3 以及箝位二极管 SD1 的额定电压。输出电压被控制为齐纳二极管电压与参考电压的和：



通过平衡电路保护期间的 LED 电流感应误差和功耗来选择 RPRO 值。实际上，RPRO 的值应尽可能地大，以最小化齐纳二极管的功耗：



进入电路的误差，由齐纳二极管的漏电流IZL以及升压转换器内部误差放大器的偏置电流 IFB 所引起。方程式 6 是一个经过修改的传输函数，其包括了这些误差：



由于这两种电流一般都小于 1 µA，因此引起的误差非常小，在大多数实现中均可以忽略不计。

演示论证

作为一个应用举例，TI TPS61170 升压转换器 IC 被配置为一个恒定电流 LED驱动器。在诸如背光照明或者手电筒等应用中，它是驱动高亮度LED串的理想升压转换器。3V-18V 输入范围允许使用较宽的电源范围，例如：2S 到 4S 锂离子或者 3S 到 12S 碱性电池组、USB 或者 12V 电源轨。


图 3 保护电路激活示波器截屏

升压转换器经过配置，用于驱动 3 支高亮度白光 LED（260 mA）。典型参考电压为 1.229 V 时，将简化的负载电流用于方程式7中，计算得到RSET：



我们选用1mA值作为保护电流（IPRO），以计算RPRO值：



我们为 ZD1 选择一个 15V 齐纳二极管，以表现约 10V 预计负载电压时的最小漏电流，同时还将输出控制在远低于升压转换器最大允许输出电压 (40V) 的某个值。输出电压被控制在齐纳二极管电压 (VZD1)，其与转换器参考电压的和为：



利用选择的负载电流和保护电阻器，计算与预期负载电流的偏差（参见下列方程式 10）。数据表值200 nA用于反馈偏置电流 (IFB)，1 µA 值则用于预计的齐纳二极管漏电流，VOUT 约为 10V。



电路的目标负载电流为 260 mA。正如我们所看到的那样，一旦组件理论值被方程式 10中的有效值代替，它们引起的误差将远多于保护电路本身带来的误差。

为了测试保护电路的运行情况，我们使用一个 38 Ω 的电阻器十进位箱代替 LED 串，目的是模拟设计负载电流下 LED 串的电压。通过快速地将负载电阻从 38 Ω 改变为 1038Ω，可以模拟一次开路故障。如图3所示，这种输出电流变化（绿色线条）表明了负载阻抗的突然变化。为了进行补偿，TPS61170 输出电压（黄色线条）上升，以重新达到设计负载电流。但是，这种变化不会始终如此，直到达到其最大占空比，输出电压稳定在了约 16V 的箝位电压。