多通道BUCK恒流方案的應用

　　胡向峰（創維TV產品研究院，廣東?深圳?518108）

　　摘?要：本文介紹了BUCK電路的傳統架構，在此基礎上重點分析了應用于背光恒流方案上的BUCK拓撲派生架構，以及應用此派生架構在實際使用過程中遇到的問題，并結合實際案例給出具體的解決措施，通過實驗及大批量的生產驗證表明，措施有效、穩定且可靠，對后續使用類似的恒流架構方案具有現實的借鑒和參考意義。

　　關鍵詞：BUCK恒流；多通道；解決方案

　　0 引言

　　隨著LED電視背光模組的不斷發展，目前與背光模組相匹配的恒流拓撲有3種：

　　1）BOOST升壓方式；

　　2）BUCK降壓方式；

　　3）電源輸出“直驅式”。其中每一種恒流拓撲均有其優點和缺點，根據屏體規格要求，在設計時需選擇合適的拓撲架構與之匹配，其中BUCK恒流拓撲架構因其架構簡單、電路效率高，設計成本低而被廣泛應用。

　　本文介紹了BUCK恒流的拓撲架構，在此基礎上重點分析了BUCK恒流方案在實際應用中遇到的主要問題和設計容易忽略的細節問題，并給出相應的解決措施和思路，對后續使用類似BUCK恒流驅動方案有十分重要的借鑒和指導意義。

　　1 BUCK拓撲架構電路及工作原理

　　統的Buck變換器，也稱降壓式變換器，是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。Buck變換器也有CCM和DCM兩種工作方式。主要由開關管（Q1）、電感（L0）、輸出濾波電容（C0）以及續流二極管（D1）組成，從電路可以看出，電感L0和電容C0組成低通濾波器。

　　根據BUCK電路特點，并結合背光恒流方案的設計要求，將原有BUCK電路進行變形和派生，演化成上圖2所示的BUCK恒流驅動電路。

　　工作原理如下：

　　當恒流IC的驅動為高電平時， Q1閉合，電源Vdc通過模組燈條（負載）給電感L0充電，此時電感上的電流增大。MOS管開通時，BUCK電路的開通回路為：Vdc(+) →模組燈條（負載）→L0(電感)→Q1(MOS) →地。當恒流IC的驅動為低電平時，Q1關斷，電感L0電流通過模組燈條放電，電感處于放電過程。MOS管關斷時，BUCK電路的關斷回路為：L0 + (電感)→ D1（續流二極管）→模組燈條（負載）→ L0 - (電感)。在此電路中，電感值的選擇是關鍵，設電感值的選擇取決于LED允許的電流等級。假設LED允許的紋波為±10%，那么根據電感公式 E=L di/dt，考慮到MOS關斷期間，電感為LED燈條提供能量，E=V_LED=V_o,max=L di/dt，此時， di 為紋波電流，等于0.2× I _o,max ， dt 是關斷時間，則

　　2 多通道恒流BUCK在實際應用中的問題及解決方案

　　由于該恒流采用BUCK派生的電源拓撲，因BUCK電路本身的一些限制，針對在開發和量產的過程中出現的問題以及在實際中容易忽略的問題，在此進行原因分析，并給出解決的方案。以下的分析主要基于OZ9906（6通道）的恒流方案為例進行說明。

　　2.1 開短路實驗及其他異常的保護

　　BUCK恒流電路因其簡潔的電路形式、高效率及較低的成本等特點，在LED背光電源中被廣泛應用。但是，BUCK恒流電路因自身的電路限制，和恒流芯片方案配合使用時，也存在一些缺陷，如部分燈條開路、MOS管短路實驗及續流電路故障等，都無法直接實現燈條保護或器件的安全，必須借助于恒流芯片的專用引腳來觸發輸入電源的保護，以OZ9906為例，當上述故障出現時，狀態引腳（STATUS）（其他恒流方案也用FAULT引腳來表示類似的功能），通過該引腳的電平翻轉來發出保護信號，通過外加保護電路來觸發電源端的保護，使整個系統在恒流驅動故障時處于安全的保護模式。如下圖（3）即為和OZ9906匹配的一種保護電路。

　　工作原理說明如下：

　　在恒流IC正常工作時，STATUS為高電平，即A點為高電平（A點和STATUS引腳連接），三極管Q1導通，三極管Q1的c極為低電平，那么該電路的B點為低電平，以至于B點連接電源端的自鎖電路不動作，電源正常工作，整個電視系統工作正常。

　　當部分燈條開路、MOS管短路、續流二極管及該電路上的其他器件開路及開機PWM和ENA時序異常等其中一項異常情況發生時，STATUS電平瞬間由高電平翻轉為低電平，三極管Q1截至，因三極管Q1的c極通過電阻連接至恒流IC內部的參考電壓，導致三極管c極變為高電平，二極管D1導通，B點為高電平，從而導致連接B點的電源端的自鎖電路觸發保護，使電源鎖死保護，整個電視系統處于保護狀態，從而避免燈條、器件及其他異常發生。

　　2.2 PWM調光方式電感的噪音問題

　　在使用BUCK方案做多路恒流驅動時，使用柱狀電感在PWM調光方式下，會產生較大的噪音問題，且路數越多，疊加的噪音越大。

　　2.2.1 原因分析

　　因使用柱狀電感（圈數為170 Ts，感量為1.5mH），一般圈數較多，繞線層數較密，當恒流板調光方式采用PWM調光時，BUCK電路的電感電流工作在開關狀態，導致電感線圈發出噪音，同時，因屏體燈條數為6路，6路BUCK電感噪音疊加，使得整個恒流板產生較大的噪音。

　　2.2.2 解決措施

　　將BUCK電感由柱狀電感改為環狀電感（圈數為110 Ts，感量為650μH）,將電感繞線沿環狀分布，減少繞線的疊加，在PWM調光方式下，可基本消除單路BUCK電感噪音，從而降低6路電感的噪音疊加。

　　2.3 PWM調光方式最小占空比下的保護問題

　　因BUCK恒流方案的STATUS腳在異常情況下會通過保護電路觸發電源端的保護，因此在設計時需特別注意當PWM（調光信號）和ENA（使能信號）時序異常時是否會觸發恒流IC的STATUS腳保護，并且參數的設置需和恒流方案的規格相匹配。一般情況下，很少關注PWM最小占空比情況下設計參數的最小值要求，導致整機匹配時出現異?！，F以某項目中使用的BUCK恒流（OZ9906）方案為例進行說明。

　　2.3.1 原因分析

　　當PWM出現最小占空比時，PWM頻率為100Hz，最小占空比為5%（甚至更?。?，也就是說Toff=10ms×(1-5%)=9.5 ms，Ton=0.5 ms，即在0.5ms內需保持使能腳為高電平，同時TIMER腳（保護延遲時間設定）電壓不能升至門限值，才不會使STATUS狀態腳電平翻轉，觸發自鎖電路工作，從而導致電源端自鎖發生。如下圖（4）所示：

　　2.3.2 解決措施

　　延長TIMER腳的上升時間，如圖（5）所示：

　　根據電容的充電原理：Vt=V0+（Vu-V0）×[1-exp(-t/RC)]

　　設V0=0V，Vu=5V

　　因Vt=2.8V（min），R=100k，C427=470nF,

　　帶入(3)式 2.8-0.7=5[1-exp(-t/100k×470nF)

　　則t=25.6m

　　因Tpwm=10 ms，t>Tpwm，所以在PWM的一個周期內，TIMER腳的電壓不能達到保護點Vt（2.8Vmin）, 所以不會觸發STATUS狀態腳電平翻轉，從而觸發自鎖電路工作，導致電源端的自鎖發生。

　　若C427=100 nF,帶入上式，計算可得：T=0.545 ms

　　因Tpwm=10 ms，Tpwm on=0.5 ms，因此在PWM一個周期內，TIMER腳的電壓就有可能達到保護點Vt（2.8V min），從而導致自鎖的發生。這一點也和實際機器的現象模擬吻合。

　　因此在設定TIMER腳的參數時，需考慮PWM的頻率以及機芯的最小占空比，只有綜合考慮以上因素后，才能準確設置TIMER腳的參數，防止恒流芯片在實際應用時的誤觸發。

　　3 結論

　　本文介紹了開關電源中BUCK拓撲架構的基本原理，并對應用于目前LED TV電源背光驅動上派生的BUCK恒流拓撲架構的原理及工作過程進行分析，重點介紹并深入分析了該BUCK恒流拓撲架構結合恒流芯片在實際應用中的遇到的典型問題，給出具體原因和解決方案。大量的試驗和生產證明，本文所給出相應的解決措施和思路在實際應用中有效、穩定且可靠，對后續使用該方案或類似的BUCK恒流驅動方案具有借鑒和參考意義。

　　參考文獻

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　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第12期第52頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。