防止LED驅動器輸出對地短路

在諸如汽車LED照明等應用中，由于駕駛員通常遠離LED，因此需要增加短路保護功能，JOHN RICE在本文中介紹了如何防止LED驅動器輸出對地短路。

非同步、升壓、電源轉換拓撲經(jīng)常用于LED驅動器等應用中。在這些應用中，輸入電壓 (VIN) 不足以正向偏置一組串聯(lián)/并聯(lián)LED燈串。這個電感開關拓撲生成了實現(xiàn)LED電流調節(jié)所必要的依從電壓，并且通常用于LCD背光應用中。例如在遠離駕駛員的汽車內部和外部照明等LED矩陣應用中，一旦發(fā)生輸出對地短路的危險，就會產(chǎn)生災難性的后果。限制電流并運行保護電路作為電子斷路器能夠防止這些災難性的故障。

如圖1所示，升壓轉換器的輸入通過升壓電感器 (L1) 和升壓二極管 (D1) 物理連接至其輸出端。因此，輸出上的短路情況會使升壓電感器飽和，其造成的電流尖峰足以損壞升壓二極管。而更糟糕的是，此短路情況也會干擾到所有連接到輸入端的器件，其中包括脈寬調制 (PWM) 控制器。很明顯，在使用中這種拓撲時，需要某種類型的電路保護，來為遠程LED供電。接下來將考慮設計一個多用途、低成本電路，此電路可被優(yōu)化為保護升壓轉換器，并防止輸入端出現(xiàn)短路負載情況。此外，我們將通過一個模擬電路來驗證所需的響應。

圖1. 基于非隔離式升壓拓撲的LED驅動器電路

電流限制器和電子斷路器

分流監(jiān)視器 (CSM) 是一種高精度、高增益差分電流感測放大器，經(jīng)常被用來監(jiān)視輸入和輸出電流。圖2顯示的是其典型配置。這個特定器件集成了一個開漏比較器;此比較器可被設定為在預先設置的線路電流上跳變、鎖存和復位。

圖. 2. 一個分流監(jiān)視器組件增加了保護功能

此比較器的輸出可被用來控制一個可以在幾毫秒內中斷負載短路的外部MOSFET開關。除了在輸出上出現(xiàn)故障情況時中斷輸入電流外，模擬輸出還可以解決開關穩(wěn)壓器的所謂的“負輸入阻抗”問題，阻止輸入電流隨輸入電壓的減少而增加。

通過將輸入電流與輸出電流以邏輯“或”的配置方式相連接，可實現(xiàn)對輸入的鉗制。如圖3中所示，其目的是為了生成一個驅動PWM控制器的復合反饋信號。然后，CSM使輸出電流反饋無效，并且強制LED電流在輸入電壓下降到一個預設電平以下時減少，從而限制輸入電流。

圖 3. 輸入限流器依賴感測輸入和輸出電流

電路操作

圖4顯示了一個具有輸出短路保護功能的升壓轉換器LED驅動器的電路實現(xiàn)方式。電路中顯示的Osram Opto Semiconductors Ostar公司生產(chǎn)的LED是一款針對汽車前燈應用的器件，實際上是位于一塊絕緣金屬基板上的單片、LED。此器件具有額定值為2A的浪涌電流(少于10 μs)，以及電流為1A時18V的典型正向電壓。DC/DC升壓轉換器感測反饋引腳上的正向LED電流，并且充分調整輸出電壓，以調節(jié)LED電流。LED電流由感測電阻器 (RSNS) 設定，它的值與PWM轉換器的內部帶隙基準成比例 (RSNS = VREF/ILED)。使用一個具有低基準電壓的升壓轉換器能夠更輕松地實現(xiàn)較高的轉換器效率，并減少組件熱應力。

圖4. 具有短接負載故障保護功能的LED升壓驅動器電路

雖然使用壽命可以長達50000小時以上，但LED對于溫度和電過應力十分敏感，而且它們的動態(tài)阻抗特性經(jīng)常會給開關穩(wěn)壓器組件的選擇和控制環(huán)路的設計提出難題。這份操作說明書中對這些選擇和設計難題進行了說明。按照這種方法開發(fā)出了圖4中顯示的電路仿真來分析LED驅動器/保護電路的復雜程度，并在各種不同的工作條件下預測電路運行方式。

為這項分析所選擇的PWM控制器具有一個0.26V的反饋基準電壓。所以，LED電流為1A時，LED感測電阻器的功率耗散只有0.26W。由于CSM具有值為50的增益，就需要一個小很多的感測電阻器來感測輸出電流。當流經(jīng)CSM分流電阻器的電流超過CSM感測電阻器設定的限值時，CSM增益和比較器閥值 (R, R)，PMOS導通晶體管中斷負載電流—從而發(fā)揮電子斷路器的作用。

可通過將RESET引腳切換為低電平來復位鎖存輸出。然而，考慮到這篇文章的目的，RESET已經(jīng)被禁用，以檢驗響應速度。響應速度和峰值電流取決于很多變量。這些變量包括組件選擇、CSM帶寬、噪聲濾波器、輸出電容、FET選擇、和輸出升壓電感器。這些因素和在一起會影響轉換器的輸出阻抗。為了準確評估運行方式，我們曾以50ns的最大時間步進和設定為0.001%的直流相對容限運行仿真。此分析在TINA-TI，一款免費的Berkeley SPICE 3f5兼容仿真器中運行。工作頻率300kHz的升壓轉換器的5ms仿真在僅僅30秒以內即可啟動至穩(wěn)定狀態(tài)。

將CSM放置在何處

CSM可被放置在升壓轉換器的輸入或輸出上。在這個模擬中，CSM被放置在輸出上，它通過與輸出PMOS導通元件 (T5) 相并聯(lián)的10 mΩ分流電阻器來感測電流。根據(jù)CSM的放置位置，此電路可以防止內部和/或外部短路情況。然而，CSM必須被設計成在所有工作條件下均具有足夠共模范圍 (CMR)。

如果放置在升壓轉換器的輸入上，可選擇具有較低CMR的CSM。然而，將CSM放置在輸出上可以避開升壓電感器，并且有助于加快對短路情況的反應時間。無論將CSM放置在何處，都應該使用一個RC濾波器來衰減那些會由于分流電阻器的突然di/dt事件而出現(xiàn)的噪聲和諧振振鈴。一個小型100電阻器和差分電容器可被置入比估計的分流器Lp/R時間常量大3倍的時間常量，其中Lp是寄生并聯(lián)電感。由于CSM的增益誤差和帶寬受到噪聲濾波器的負面影響，保持濾波器的低值很重要。

模擬結果

圖5展示了模擬結果。Vg是到PMOS FET的控制電壓，并在正常情況下被設定為-6V。需要根據(jù)FET的閥值電壓、柵極電荷、和飽和特性進行優(yōu)化。最大限度地減小柵極上的電壓可以改進反應時間，并且應該選擇上拉電阻器來盡可能地縮短中斷周期。需要注意的是，輸入電流和柵極電壓用高柵極電荷(紫色)，和低柵極電荷(藍色)MOSFET顯示。

圖5. 標準有線和無線網(wǎng)絡將在物理樓宇系統(tǒng)和樓宇管理設備之間承載傳遞相對簡單的命令和數(shù)據(jù)

很明顯，較低柵極電荷器件最大限度地減少了輸入上的可見電流。選擇MOSFET和柵極驅動電路來實現(xiàn)最優(yōu)響應是十分重要的設計考慮，這是因為這種設計限制了di/dt，并且滿足了MOSFET安全運行要求。這些復雜的設計考慮在分析起來可不那么容易;因此，最好在在工作臺上對它們進行模擬和確認。

在某些諸如Tektronix產(chǎn)品的某些示波器上提供專門的測試軟件來計算相對于MOSFET安全運行曲線的開關功率損耗。本次模擬建議響應持續(xù)時間少于2μs，這在電流被中斷前可獲得少于6A的輸入電流。中斷FET的選擇將影響峰值輸入和輸出電流。驅動高端NMOS器件的高性能、可熱插拔控制器是另外一個選擇，并且能夠實現(xiàn)少于250ns的中斷時間。這些器件針對背板熱插拔卡插入進行了優(yōu)化，但是可以提供一個性能比這里展示的解決方案更高的解決方案。

避免的故障

此電路展示并模仿了中斷情景，也在多變的負載條件下限制升壓轉換器LED驅動器的輸入/輸出電流。該電路經(jīng)過優(yōu)化可以適合于汽車LED前燈驅動器應用。我們證明了實現(xiàn)最優(yōu)電路響應時間需要仔細的分析和組件選擇。將這些靈敏性集成到一個綜合性時域電路模擬中有助于理解不同工作條件和組件選擇情況下的電路運行狀態(tài)。

提供的專業(yè)化可熱插拔控制器具有專門的特性和優(yōu)化的性能，在設計時應該將它們考慮在內。在任何一種情況下，當執(zhí)行一個電路來中斷或限制電源時有必要進行仔細分析。為LED驅動器設計一個穩(wěn)健耐用的保護電路是一項復雜的工作，而諸如TINA-TI，SPICE和WEBENCH等軟件工具能夠在加快分析和設計方面提供幫助。