【導(dǎo)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(shè)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(yù)期在今后多年內(nèi)仍會占據(jù)很高比例（圖1）。
圖1. LED燈具成本的細(xì)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(yuǎn)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。
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(dǎo)體行業(yè)有大量的容量達(dá)到4 A的DC-DC解決方案，但它們的設(shè)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(jìn)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(guān)“A”，以及從地面到電感的開關(guān)（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。
圖3. 基本降壓方案3
如果開關(guān)是內(nèi)部的，則降壓器稱為穩(wěn)壓器如果開關(guān)是外部的，則稱為 控制器如果兩個開關(guān)都是晶體管（MOSFET或BJT），則它是同步 的，如果底部的開關(guān)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)壓器通常可以優(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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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。
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(zhǔn)進(jìn)行比較，用于生成開關(guān)的適當(dāng)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。
圖5. 基本（但不高效）的LED驅(qū)動器
當(dāng)從FB到地面的精密電阻設(shè)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(guān)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(jié)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(zhǔn)進(jìn)行比較，如圖6所示。
圖6. 使用ADP2384的軟啟動引腳工作
對于燈具應(yīng)用，將SS/TRK引腳設(shè)置為固定電壓，并將其用作新的FB基準(zhǔn)。恒壓分壓器充當(dāng)基準(zhǔn)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(dá)到更高精度，可以使用簡單的2引腳外部精密基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓源。將此電壓設(shè)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(zhǔn)電壓的另一個優(yōu)點是RSENSE可以選擇方便的標(biāo)準(zhǔn)值，從而避免指定或分配任意精密電阻值來設(shè)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(zhǔn)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(zhǔn)，因此必須仔細(xì)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(dāng)恒定的偏移電壓（圖8）
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(biāo)電壓。
因此，可使用以下公式獲取150 mV的有效反饋基準(zhǔn)，其中R2 = 1 kΩ，VSUP = 5 V:
LED電流為：:
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(yán)重影響。使用ADR5040等精密基準(zhǔn)電壓源可能是理想的，但不太精確的±5%基準(zhǔn)容差可能在LED電流上產(chǎn)生±12%的變化。表1顯示了比較結(jié)果：
表1. SS/TRK和偏移RSENSE的比較
精確電流調(diào)節(jié)的另一個關(guān)鍵是適當(dāng)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(shù)，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
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(hù)、RSENSE 開路/短路故障保護(hù)、PWM調(diào)光、模擬調(diào)光和電流折返熱保護(hù)。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(jìn)行調(diào)光
“智能”LED驅(qū)動器的一個關(guān)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(guān)閉與RSENSE串聯(lián)插入的NMOS開關(guān)，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(guān)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(guān)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）。
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(yīng)用PWM調(diào)光輸入，但可以操控FB引腳以啟用和禁用開關(guān)。如果FB變?yōu)楦唠娖剑瑒t誤差放大器變?yōu)榈碗娖剑祲洪_關(guān)停止。如果FB重新連接到RSENSE則它將恢復(fù)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(guān)閉NMOS，有一個上拉電阻將FB電平變?yōu)楦唠娖健?/div>
圖11. 使用ADP2384進(jìn)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(jìn)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(dǎo)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(zhǔn)電路的電源，控制fb基準(zhǔn)，如圖12所示。
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(jié)溫，有時必須監(jiān)控LED溫度，如果溫度過高，必須做出響應(yīng)。導(dǎo)致異常高溫的原因可能是散熱器連接不當(dāng)、周邊溫度過熱或其他一些極端條件。常見解決方案是在當(dāng)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(diào)光中，LED保持在滿載電流，直至到達(dá)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(jié)溫，保持它們的使用壽命。低成本NTC（負(fù)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(jìn)行細(xì)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(zhǔn)，則可以使用一種簡單方法，將NTC與基準(zhǔn)電壓并聯(lián)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于基準(zhǔn)電壓，則輸出最大電流；如果NTC電阻電壓降低到基準(zhǔn)電壓之下，然后降低到FB基準(zhǔn)電壓之下，則LED電流開始下降。
結(jié)論
這些技巧應(yīng)該作為使用標(biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器實施全面LED功能的一般指導(dǎo)準(zhǔn)則。但是，由于這些功能有一點超出降壓IC的目標(biāo)應(yīng)用范圍，因此您最好聯(lián)系半導(dǎo)體制造商，確認(rèn)IC能夠處理這些工作模式。要獲得有關(guān)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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