【導(dǎo)讀】常用的高亮度LED驅(qū)動電路中會出現(xiàn)一個嚴(yán)重的問題，就是LED串開路故障會移除負(fù)載電流的通路。本文通過實例驗證，介紹了一種使用一個齊納二極管和一個電阻器的簡單的開路故障保護(hù)的方法，可以將LED驅(qū)動電路的輸出電壓控制在某個安全水平，并減少輸出電流。
驅(qū)動高亮度 LED 的一種方法是對標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)溥M(jìn)行修改，以驅(qū)動恒定電流通過負(fù)載。但是，這種實施方法存在一個嚴(yán)重問題，因為 LED 串中出現(xiàn)的開路故障會移除負(fù)載電流的通路。由于來自轉(zhuǎn)換器（此時在無反饋情況下工作）的高輸出電壓，這樣可能會對電路造成潛在損壞。本文為您介紹一種簡單的健壯開路故障保護(hù)方法，其使用一個齊納二極管和一個電阻器，并且對總效率的影響可以忽略不計。通過將一個高壓升壓轉(zhuǎn)換器配置為一個恒流驅(qū)動器，用于驅(qū)動 3 支高亮度白光 LED，并在輸出端產(chǎn)生一個模擬故障狀態(tài)，我們可以驗證這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能性。該電路將輸出電壓控制在某個安全水平，并在受保護(hù)狀態(tài)下減少輸出電流。
典型高亮度 LED 升壓轉(zhuǎn)換器
我們常常對轉(zhuǎn)換器進(jìn)行修改，以在單節(jié)鋰離子(Li-Ion)、堿性及其它應(yīng)用中驅(qū)動高亮度 LED。在這些應(yīng)用中，LED 串的電壓超出了電池或者電源軌電壓。在標(biāo)準(zhǔn)升壓配置結(jié)構(gòu)中，利用一個分壓器產(chǎn)生電路的反饋電壓 VFB，從而對輸出電壓 VOUT 進(jìn)行監(jiān)控。轉(zhuǎn)換器對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓 VFB 始終都等于片上參考電壓 VREF。這種拓?fù)錇樽赃m應(yīng)型，可用負(fù)載代替反饋分壓器中的上層電阻器，從而保持恒定電流而非恒定電壓，如圖 1 中 LED 串所示。負(fù)載電流依賴于升壓轉(zhuǎn)換器的片上參考電壓，其計算方法如下：
這種簡單實施方法存在的一個嚴(yán)重問題是，LED 串中出現(xiàn)的開路故障會移除負(fù)載電流的通路。當(dāng)沒有電流流過反饋電阻器 RSET 時，VFB 被下拉至接地。作為響應(yīng)，升壓轉(zhuǎn)換器會盡可能地增加其工作占空比至最大值，目的是在反饋 (FB)針腳上維持正確的電壓。利用理想化的升壓轉(zhuǎn)換器傳輸函數(shù)表明，當(dāng)轉(zhuǎn)換器接近其最大占空比時，可以產(chǎn)生高輸出電壓 (VOUT)。請思考一個90%（常用值）典型最大占空比且 5V 輸入的升壓轉(zhuǎn)換器：
轉(zhuǎn)換器輸出端高壓帶來發(fā)生多次故障的可能性。這種電壓可能會超出內(nèi)部或者外部開關(guān)式器件或者無源組件的額定值。另外，如果在沒有采取保護(hù)措施的情況下操作電路，它還會給用戶帶來潛在危險，并可能會在連接時損壞負(fù)載。
圖1：無開路保護(hù) LED驅(qū)動器高壓升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)
保護(hù)電路
在出現(xiàn)開路狀態(tài)時，負(fù)載電流必須有一條備用通路。盡管將一個電阻器與 LED 串并聯(lián)可以提供一條通路，但其并不理想，因為它會引起巨大的效率損失。替代配置（圖 2）由一個齊納二極管和一個電阻器組成，可提供足夠的系統(tǒng)保護(hù)，并且效率損失微乎其微。
圖2：有開路保護(hù) LED驅(qū)動器電路
當(dāng)負(fù)載電流通路被移除時，輸出電壓上升，直到齊納二極管 ZD1 開啟，同時電流流經(jīng) RPRO 和 RSET 接地。輸出電流由 RPRO 和 RSET 的串聯(lián)組合決定，因為 VFB 受到驅(qū)動后等于內(nèi)部帶隙參考電壓 VREF。因此，輸出保護(hù)電流默認(rèn)為：
我們?yōu)辇R納二極管選擇一個電壓，以使正常電路工作期間沒有電流流經(jīng)它。為了確保該二極管在正常運行期間完全關(guān)閉，所選電壓應(yīng)至少高于最大負(fù)載電壓 2V，但小于升壓轉(zhuǎn)換器的規(guī)定最大輸出電壓。這樣，電路設(shè)計人員便不會經(jīng)常被迫增加輸出電容器 C2 和 C3 以及箝位二極管 SD1 的額定電壓。輸出電壓被控制為齊納二極管電壓與參考電壓的和：
通過平衡電路保護(hù)期間的 LED 電流感應(yīng)誤差和功耗來選擇 RPRO 值。實際上，RPRO 的值應(yīng)盡可能地大，以最小化齊納二極管的功耗：
進(jìn)入電路的誤差，由齊納二極管的漏電流IZL以及升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)部誤差放大器的偏置電流 IFB 所引起。方程式 6 是一個經(jīng)過修改的傳輸函數(shù)，其包括了這些誤差：
由于這兩種電流一般都小于 1 µA，因此引起的誤差非常小，在大多數(shù)實現(xiàn)中均可以忽略不計。
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演示論證
作為一個應(yīng)用舉例，TI TPS61170升壓轉(zhuǎn)換器 IC 被配置為一個恒定電流 LED驅(qū)動器。在諸如背光照明或者手電筒等應(yīng)用中，它是驅(qū)動高亮度LED串的理想升壓轉(zhuǎn)換器。3V-18V 輸入范圍允許使用較寬的電源范圍，例如：2S 到 4S 鋰離子或者 3S 到 12S 堿性電池組、USB 或者 12V 電源軌。
圖3：保護(hù)電路激活示波器截屏
升壓轉(zhuǎn)換器經(jīng)過配置，用于驅(qū)動 3 支高亮度白光 LED（260 mA）。典型參考電壓為 1.229 V 時，將簡化的負(fù)載電流用于方程式7中，計算得到RSET：
我們選用1mA值作為保護(hù)電流（IPRO），以計算RPRO值：
我們?yōu)?ZD1 選擇一個 15V 齊納二極管，以表現(xiàn)約 10V 預(yù)計負(fù)載電壓時的最小漏電流，同時還將輸出控制在遠(yuǎn)低于升壓轉(zhuǎn)換器最大允許輸出電壓 (40V) 的某個值。輸出電壓被控制在齊納二極管電壓 (VZD1)，其與轉(zhuǎn)換器參考電壓的和為：
利用選擇的負(fù)載電流和保護(hù)電阻器，計算與預(yù)期負(fù)載電流的偏差（參見下列方程式 10）。數(shù)據(jù)表值200 nA用于反饋偏置電流 (IFB)，1 µA 值則用于預(yù)計的齊納二極管漏電流，VOUT 約為 10V。
電路的目標(biāo)負(fù)載電流為 260 mA。正如我們所看到的那樣，一旦組件理論值被方程式 10中的有效值代替，它們引起的誤差將遠(yuǎn)多于保護(hù)電路本身帶來的誤差。
為了測試保護(hù)電路的運行情況，我們使用一個 38 ? 的電阻器十進(jìn)位箱代替 LED 串，目的是模擬設(shè)計負(fù)載電流下 LED 串的電壓。通過快速地將負(fù)載電阻從 38 ? 改變?yōu)?1038?，可以模擬一次開路故障。如圖3所示，這種輸出電流變化（綠色線條）表明了負(fù)載阻抗的突然變化。為了進(jìn)行補償，TPS61170 輸出電壓（黃色線條）上升，以重新達(dá)到設(shè)計負(fù)載電流。但是，這種變化不會始終如此，直到達(dá)到其最大占空比，輸出電壓穩(wěn)定在了約 16V 的箝位電壓。
本文介紹了一種給配置為恒定電流LED驅(qū)動器的升壓轉(zhuǎn)換器提供開路保護(hù)的簡單方法。這種電路由一個齊納二極管和一個附加電阻器組成，其將輸出電壓限制在一個安全水平，同時在負(fù)載出現(xiàn)開路故障時降低輸出電流。另外，這種方法給負(fù)載電流計算過程帶來了一些誤差，并使正常電路運行期間的效率稍有降低，但這些影響都可以忽略不計。將一個升壓轉(zhuǎn)換器配置為一個 LED驅(qū)動器，并添加一個15V齊納二極管和一個1.2k? 電阻器，用于輸出保護(hù)。這樣便演示論證了這種保護(hù)電路的功能性。該演示論證電路在模擬負(fù)載故障狀態(tài)下的輸出表現(xiàn)符合我們的預(yù)期。
