降壓調節器變身為高電流LED驅動器

摘要：本文提出了迫使穩壓器提供恒定電流可擴展驅動能力，同時保持低BOM（物料清單）成本的方法。 本文網絡版地址：http：//www.eepw. com.cn/article/256098.htm

關鍵詞：降壓調節器；LED驅動器；高電流

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.014

LED有望改變世界，幾乎沒有人懷疑這一點。然而，LED本身的成本是導致其不能快速得到推廣的一個主要原因。不同LED燈具的成本構成也不盡相同，但可以有把握地說，LED的成本占燈具總成本的大約25%～40%。預計未來許多年，LED在燈具總成本中都會占據相當大的比例（圖1）。

降低燈具總成本的一種方法是以最高可能的電流驅動LED。 如果妥善驅動，這種LED可提供每單位成本更高的流明。 但是，這種做法需要更高電流驅動器。 雖然很多驅動器在低電流下（<500 mA）驅動LED，但很少有高電流（700 mA至4.0 A）的選擇方案。另一方面，半導體世界充斥著能提供高達4.0 A電流的DC-DC轉換器，這就更加令人不解。問題是這些DC-DC轉換器控制電壓，而非LED電流。 幸運的是，有一些簡單的方法，可以將即用型DC-DC降壓調節器轉換為LED驅動器。

降壓調節器對輸入電壓進行斬波，讓其通過LC濾波器，從而提供穩定的輸出（圖2）。為此，降壓調節器采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B（或二極管）。無源元件是電感L和輸出電容COUT。它們形成L-C濾波器，可以減少由有源元件產生的紋波。如果開關是IC內部的，則它就是調節器；否則，它是一個控制器。如果兩個開關均為功率晶體管—MOSFET或BJT—則稱之為“同步”，否則稱之為“異步”。這樣就得到好幾類降壓電路，每類電路都有其優點和不足。討論使用哪種類型以及所有的利弊將需要大量篇幅，但一般而言，同步降壓調節器常常能夠實現最佳的效率、器件數、BOM成本和板面積。

然而，用于驅動高電流LED—最高4 A—的同步降壓調節器很少，而且成本昂貴。替代方案是對標準同步降壓調節器進行改造，以用來調節LED電流。我們將使用ADI公司最近發布的兩個通用同步降壓調節器作為例子：ADP2441和ADP2384。ADP2441是一款高效率、36 V輸入同步降壓調節器，能夠產生最高1.2 A的輸出電流。ADP2384是另一款高效率同步降壓調節器，輸出電流最高可達4.0 A，輸入電壓可達20 V（圖3）。

對于ADP2441和ADP2384，輸出電壓均經過電阻分壓送至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，此FB引腳調節到恰好600 mV。因此，很容易將LED放在電阻分壓器的位置，并利用一個串聯電阻RSENSE來設置電流（圖4）。

在FB與GND之間使用一個精密電阻來設置LED電流：

對于低LED電流，檢測電阻的功耗不是一個大問題。 但在高LED電流下，對效率的影響會大幅增加燈具散發的熱量：

600mV·4A=2.4W（！）

幸運的是，可以使用兩種方法來降低大多數降壓調節器的FB基準電壓：使用SS（軟啟動）或TRK（跟蹤）引腳，或者偏移Rsense電壓。很多通用降壓IC包括SS或TRK引腳。SS引腳在啟動時能提供受控的電感電流。TRK引腳迫使降壓調節器能夠遵循獨立電壓。這兩個引腳常常合并為一個SS/TRK引腳。大多數情況下，誤差放大器使用SS、TRK和FB_ref電壓中的最小值來改變調節點（圖5）。

這種方法不需要SS或TRK引腳。此外，FB引腳仍然調節至600 mV，但RSENSE的電壓調節至FBREF （NEW）電壓。這意味著芯片的其他功能（比如軟啟動、跟蹤和電源良好指示）仍將正常運行。缺點是電源精度會嚴重影響RSENSE和FB之間的失調。ADR5040等精密基準電壓源問題不大，但如果上述示例中的電源具有±5%精度，那么它可能在LED電流上產生±11%變化。表1顯示了比較結果。這些技巧應該作為使用標準降壓調節器實現廣泛LED功能的一般指導準則。 由于這些特性可能不同于降壓IC的目標應用，因此用戶最好聯系半導體制造商，確認IC能夠處理這些工作模式。