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?？梢詢?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?？梢蕴峁┕暮蚅ED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， FBREF(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,。或者,，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?，則誤差放大器變?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?/p>

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。