引言
驅(qū)動(dòng)高亮度 LED 的一種方法是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)溥M(jìn)行修改,，以驅(qū)動(dòng)恒定電流通過(guò)負(fù)載,。但是，這種實(shí)施方法存在一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題,，因?yàn)?LED 串中出現(xiàn)的開(kāi)路故障會(huì)移除負(fù)載電流的通路,。由于來(lái)自轉(zhuǎn)換器（此時(shí)在無(wú)反饋情況下工作）的高輸出電壓，這樣可能會(huì)對(duì)電路造成潛在損壞,。本文為您介紹一種簡(jiǎn)單的健壯開(kāi)路故障保護(hù)方法,，其使用一個(gè)齊納二極管和一個(gè)電阻器，并且對(duì)總效率的影響可以忽略不計(jì),。通過(guò)將一個(gè)高壓升壓轉(zhuǎn)換器配置為一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)器,，用于驅(qū)動(dòng) 3 支高亮度白光 LED，并在輸出端產(chǎn)生一個(gè)模擬故障狀態(tài),，我們可以驗(yàn)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(gè)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(duì)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(dòng)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(gè)分壓器產(chǎn)生電路的反饋電壓 VFB,，從而對(duì)輸出電壓 VOUT 進(jìn)行監(jiān)控,。轉(zhuǎn)換器對(duì)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(jì)算方法如下：
這種簡(jiǎn)單實(shí)施方法存在的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題是，LED 串中出現(xiàn)的開(kāi)路故障會(huì)移除負(fù)載電流的通路,。當(dāng)沒(méi)有電流流過(guò)反饋電阻器 RSET 時(shí),，VFB 被下拉至接地。作為響應(yīng)，升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)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(shí),，可以產(chǎn)生高輸出電壓 （VOUT）,。請(qǐng)思考一個(gè)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(lái)發(fā)生多次故障的可能性。這種電壓可能會(huì)超出內(nèi)部或者外部開(kāi)關(guān)式器件或者無(wú)源組件的額定值,。另外,，如果在沒(méi)有采取保護(hù)措施的情況下操作電路，它還會(huì)給用戶帶來(lái)潛在危險(xiǎn),，并可能會(huì)在連接時(shí)損壞負(fù)載,。
圖 1 無(wú)開(kāi)路保護(hù) LED 驅(qū)動(dòng)器高壓升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)
保護(hù)電路
在出現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流必須有一條備用通路,。盡管將一個(gè)電阻器與 LED 串并聯(lián)可以提供一條通路,，但其并不理想，因?yàn)樗鼤?huì)引起巨大的效率損失,。替代配置（圖 2）由一個(gè)齊納二極管和一個(gè)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(kāi)路保護(hù) LED 驅(qū)動(dòng)器電路
當(dāng)負(fù)載電流通路被移除時(shí),，輸出電壓上升，直到齊納二極管 ZD1 開(kāi)啟,，同時(shí)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?yàn)?VFB 受到驅(qū)動(dòng)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(gè)電壓,，以使正常電路工作期間沒(méi)有電流流經(jīng)它。為了確保該二極管在正常運(yùn)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(jì)人員便不會(huì)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(guò)平衡電路保護(hù)期間的 LED 電流感應(yīng)誤差和功耗來(lái)選擇 RPRO 值。實(shí)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(gè)經(jīng)過(guò)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 ,？A，因此引起的誤差非常小,，在大多數(shù)實(shí)現(xiàn)中均可以忽略不計(jì),。
演示論證
作為一個(gè)應(yīng)用舉例，TI TPS61170 升壓轉(zhuǎn)換器 IC 被配置為一個(gè)恒定電流 LED驅(qū)動(dòng)器,。在諸如背光照明或者手電筒等應(yīng)用中,，它是驅(qū)動(dòng)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,。
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圖 3 保護(hù)電路激活示波器截屏
升壓轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)配置,，用于驅(qū)動(dòng) 3 支高亮度白光 LED（260 mA）。典型參考電壓為 1.229 V 時(shí),，將簡(jiǎn)化的負(fù)載電流用于方程式7中,，計(jì)算得到RSET：
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(lái)的誤差,。
為了測(cè)試保護(hù)電路的運(yùn)行情況，我們使用一個(gè) 38 ,？ 的電阻器十進(jìn)位箱代替 LED 串,，目的是模擬設(shè)計(jì)負(fù)載電流下 LED 串的電壓。通過(guò)快速地將負(fù)載電阻從 38 ,？ 改變?yōu)?1038,？，可以模擬一次開(kāi)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(bǔ)償,，TPS61170 輸出電壓（黃色線條）上升,，以重新達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)載電流。但是,，這種變化不會(huì)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,。
結(jié)論
我們?yōu)槟榻B了一種給配置為恒定電流 LED 驅(qū)動(dòng)器的升壓轉(zhuǎn)換器提供開(kāi)路保護(hù)的簡(jiǎn)單方法,。這種電路由一個(gè)齊納二極管和一個(gè)附加電阻器組成，其將輸出電壓限制在一個(gè)安全水平,，同時(shí)在負(fù)載出現(xiàn)開(kāi)路故障時(shí)降低輸出電流,。另外，這種方法給負(fù)載電流計(jì)算過(guò)程帶來(lái)了一些誤差，并使正常電路運(yùn)行期間的效率稍有降低,，但這些影響都可以忽略不計(jì),。將一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器配置為一個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器，并添加一個(gè) 15V 齊納二極管和一個(gè) 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,。