降壓調節器變身智能可調光LED驅動器

憑借使用壽命長和功耗低的優勢，LED有望改變整個照明行業，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(完整電力照明設備)的成本各不相同，但LED的成本通常占據了整個燈具成本的大約25%至40%,而且預期在今后多年內仍會占據很高比例(圖1)。

圖1. LED燈具成本的細分1

降低整體燈具成本的一種方法是在產品規格允許的范圍內，在可能最高的直流電流下驅動LED.此電流可能遠高于其“分檔電流”.如果正常驅動，這樣可能產生更高的流明/成本比率。

圖2. LED光輸出和效率與驅動電流2

但是，這種做法需要更高電流驅動器。很多解決方案在低電流下(500mA)驅動LED,但很少有高電流(700mA至4A)的選擇方案。這一現象似乎令人驚訝，因為半導體行業有大量的容量達到4A的DC-DC解決方案，但它們的設計目的是控制 電壓， 而不是控制LED電流。本文將探討將現成DC-DC降壓穩壓器轉換為智能LED驅動器的一些簡單技巧。

降壓穩壓器對輸入電壓進行斬波，并通過LC濾波器傳送，以提供穩定的輸出，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“A”,以及從地面到電感的開關(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生的紋波。

圖3. 基本降壓方案

如果開關是內部的，則降壓器稱為穩壓器，如果開關是外部的，則稱為控制器。如果兩個開關都是晶體管(MOSFET或BJT)，則它是同步的，如果底部的開關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劣，但同步降壓穩壓器通常可以優化效率、器件數量、解決方案成本和電路板面積。遺憾的是，用于驅動高電流LED(高達4A)的同步降壓穩壓器很少，而且成本昂貴。本文以ADP2384為例，展示如何修改標準同步降壓穩壓器的連接以調節LED電流。

ADP2384高效同步降壓穩壓器指定最高4 A的輸出電流，具有最高20 V的輸入電壓。圖4顯示了用于調節輸出電壓的正常連接。

圖4. 連接用于調節輸出電壓的ADP2384

在工作中，經過分壓的輸出電壓連接到FB引腳，與內部600 mV基準進行比較，用于生成開關的適當占空比。在穩態下，FB引腳保持在600 mV,因此VOUT調節至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)，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驅動器

當從FB到地面的精密電阻設置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的熱量(600 mV × 4 A = 2.4 W)。降低FB基準電壓可以成比例降低功耗，但大多數DC-DC穩壓器沒有調節此基準的方式。幸運的是，兩個技巧可降低大多數降壓穩壓器的基準電壓：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占空比，從而最大程度地減小啟動瞬變。TRK引腳讓降壓穩壓器能夠遵循獨立電壓。這些功能通常結合到單個SS/TRK引腳上。大多數情況下，誤差放大器將SS、TRK和FB電壓中的最小值與基準進行比較，如圖6所示。

圖6. 使用ADP2384的軟啟動引腳工作

對于燈具應用，將SS/TRK引腳設置為固定電壓，并將其用作新的FB基準。恒壓分壓器充當基準電壓源非常有效。例如，很多降壓穩壓器IC包括受控低壓輸出-如ADP2384上的VREG引腳。為了達到更高精度，可以使用簡單的2引腳外部精密基準電壓源，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電壓源。將此電壓設置在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。用戶選擇的基準電壓的另一個優點是RSENSE可以選擇方便的標準值，從而避免指定或分配任意精密電阻值來設置LED電流的開支和不精確性。

圖7. 使用SS/TRK引腳以降低FB基準電壓

使用SS或TRK引腳方法并非對于所有降壓穩壓器都是可行的，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，因此必須仔細查看產品數據手冊。作為一種替代方法，可以產生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引腳的相當恒定的偏移電壓(圖8)。

圖8. 產生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是輔助調節電壓， FBREF(NEW)是RSENSE兩端的目標電壓。