驅動LED陣列的同步降壓開關電源

背景

汽車照明裝配供應商正在考慮用LED器件與高強度放電(HID) 照明競爭。首先，LED器件的驅動電路沒有HID 燈復雜。HID燈要求高壓鎮流電路在HID 燈中啟動一個電弧，而且在啟弧后需要調整其電壓輸出，以維持對HID燈的恒定功率供應。從電磁兼容(EMC)的觀點來看，這些高壓電路易于產生噪聲，進一步阻礙了這些技術在汽車領域使用。最后，LED器件的成本持續下降，使這種技術對于成本敏感的汽車市場越來越有吸引力。

一個典型的LED前照燈應用要求給LED陣列提供大約25 瓦以上的功率。因為LED元件的一個優點是效率高，所以驅動電子元件也應該提高效率，以充分發揮LED技術的優勢。因此考慮采用某種開關電源 (SMPS)來實現這個目標是可以的(參見圖1)。但大多數SMPS 設計的目標是調節電壓而不是電流。

選擇電路拓撲結構

對于這種應用，選擇了降壓拓撲結構。輸入電壓的限制(VBATT =9 V min.) 和陣列的正向壓降(2xVF=8.0 V，VFMAX=4 V@IF=350 mA)確定后，期望采用降壓拓撲來滿足這些要求是合理的。其他驅動LED的方法是用開關方式產生/穩定電壓，然后通過脈沖寬度調制方式調節流過LED的電流。在LED和開關的路徑上，需要串聯一個限流電阻，以避免流過的電流過大，造成潛在的損害。這個串聯電阻消耗功率，也會導致效率降低。

但是，SMPS本身具備有利于穩流的元件。降壓調節器的簡化電路如圖2所示。

更仔細的觀察這個設計中的儲能元件可以發現一些有趣的觀點。通過電感的電流可以看作既是交流也是直流元件?？紤]SMPS的電感在連續模式中工作的情況 (通過電感的電流波形參見圖3)。 在這個應用中直流元件特別令人關注。因為電流是關鍵參數，所以調節電流并向負載提供是這個電路的主要目標。還應該記住把交流元件減到最小的目標。

另外，因為不考慮輸出電壓，而且它會隨著LED 器件而改變，因而不需要像傳統穩壓電路一樣考慮這個節點的穩壓任務。當電感進行充電并且幫助向LED 陣列提供能量時，輸出電容在此期間提供電流。傳統穩壓器的這個元件將保留。

選擇控制器

這里選擇了安森美半導體CS5165A，因為隨著誤差放大器參考電壓從3.54V 變化到1.25V，它具有5比特可編程能力，有了可變的參考電壓，就可以設計可調的調節器，而不需要改變反饋元件。

CS5165A的另一個有利的特性是，它是控制器而不是穩壓器。這樣可以根據整個電路特定的功率處理要求來選擇輸出開關 。最后，CS5165A是一個同步調節器，進一步提高了這種特殊應用中更高功率設計的效率。

最終設計

以下討論參見圖5 。如果有了以上的優點，可以在汽車典型的輸入電壓范圍內，使用CS5165A進行額定輸出電流為3.5A的設計(外部需要提供負載切斷和電池反向的額外保護)。假設讀者已熟悉降壓 SMPS的基本概念，因此在此只強調本設計更獨特的特點。

第一步是將期望的參數和電流值變換為由CS5165A調節的電壓值。這可以由RSENSE1 完成。為了進一步提高效率，要用運算放大器放大RSENSE1 上的電壓信號，并且保持電阻中的損耗為最小。確定所需負載電流的Vref 設置點方程如下所示(其中A 是放大器電路的增益):

VREF=A ILOAD RSENSE1

從減小導通損耗和熱量觀點考慮選擇一對NTB45N06 N-溝道功率MOSFET。另外，上部MOSFET M1選擇了器件的邏輯級版本。這有助于當電荷泵峰值儲備不足時，用較高的輸入電壓驅動上部MOSFET。

為了驅動上部MOSFET，用C1 作為電荷泵元件實現了一個電荷泵。C1 把電荷泵入由Q1、D1、D2 D4、R2 R3 和 C3 C4構成的分流穩壓電路。當M2導通而且驅動開關節點 (上部MOSFET M1的源極) 到地后，C1 通過D1充電到電池電壓。然后，當M1驅動開關節點從電池電壓上升時，C1上的電荷通過D2送到C3。此電壓用于把M1 驅動到電池電壓以上并且為器件提供足夠的VGS。