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类汽车LED照明属性驱动电路安全设计浅析

时间:2017-09-05 来源:LEDinside

在一些应用中,比如汽车LED照明,由于LED的位置通常离司机较远,从而需要增加短路保护。

非同步、升压、电源转换拓扑通常用于LED驱动器中,在这些情况中,输入电压不足以对一组串联/并联LED灯串进行正向偏置。这种电感式开关拓扑生成了实现LED电流调节所需的恒流制输出电压,并且通常用于LCD背光应用。在LED矩阵应用中,例如汽车内部和外部照明,由于远离司机,输出对地短路的可能性是真实的,甚至可能是灾难性的。保护电路能限制电流并作为电子断路器,可以防止灾难性的故障。

如图1所示,升压转换器的输入通过升压电感器(L1)和升压二极管(D1)物理连接其输出。因此,输出端的短路会使升压电感器饱和,造成电流尖峰,足以损坏升压二极管。更糟糕的是,短路还可以破坏与输入相关的所有连接,包括脉宽调制(PWM)控制器。显然,在使用这种拓扑来为远程LED供电时,需要某种形式的电路保护。我们接下来要考虑一种通用且低成本的电路,可以优化保护升压转换器和防止输入端出现短路负载的情况。此外,我们将介绍一个电路模拟,验证所需的响应。

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图1. 基于非隔离升压拓扑的LED驱动电路

限流器和电子断路器

电流分流监视器(CSM)是一种高精度、高增益差分电流检测放大器,经常用于监视输入和输出电流。 图2展示的是其典型的配置。这个特定器件集成了一个开漏比较器,可以将其编程,在预设定的线路电流上跳闸、锁存和复位。

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图2. 电流分流监视器组件增加了保护

此比较器的输出可用于控制外部MOSFET开关,可以在几微秒内中断负载短路。 除了在输出故障情况下中断输入电流之外,模拟输出可用于解决开关稳压器上所谓的“负输入阻抗”。输入电压降低时,“负输入阻抗”将导致输入电流增加。

通过将输入电流与输出电流以合乎逻辑的配置相连,可实现对输入的控制。其目的是生成复合反馈信号,驱动PWM控制器,如图3中所示。随后,CSM覆盖输出电流反馈,并迫使LED电流随着输入电压的下降降到一个预设电平,从而限制输入电流。

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图3. 输入限流器依赖于感测输入和输出电流

电路操作

图4显示了带输出短路保护功能的升压转换器LED驱动器的电路实现方式。电路中所示的欧司朗光电半导体Ostar LED是针对汽车前照灯应用的器件,实际上是绝缘金属基板上的一个完整的五芯片LED。该器件的浪涌电流额定值为2A,小于10μs,以及1A时典型的的18V正向电压。LED电流由检测电阻(RSNS)设定,它的值与PWM转换器的内部带隙基准成比例 (RSNS = VREF/ILED)。使用具有低参考电压的升压转换器有助于实现更高的转换器效率,并降低组件热应力。

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图4. 具有短路故障保护的LED升压驱动电路。

虽然LED本身能够达到超过50,000小时的使用寿命,但LED对温度和电应力很敏感,而且LED的其动态阻抗特性往往会给调节器元件的选择和控制回路的设计提出挑战。因此,开发了图4中的仿真电路,以分析LED驱动器/保护电路的复杂性,并预测在不同操作条件下的电路特性。

为此分析所选的PWM控制器具有0.26V的反馈参考电压。因此,在1A的LED电流下,只有0.26W的功耗在LED检测电阻中消散。由于CSM的增益为50,所以使用较小值的检测电阻来感测输出电流。 当通过CSM分流电阻器的电流超过由CSM检测电阻器设置的限制时,CSM增益和比较器阈值(R,R),PMOS通道晶体管中断负载电流,充当电子断路器。

通过将RESET引脚切换为低电平,可以复位锁存输出。但是,出于本文的目的,RESET已被禁用,以检查响应速度。响应速度和峰值电流取决于许多变量,包括元件选择、CSM带宽、噪声滤波器、输出电容、FET选择和输出升压电感器。合在一起,这些因素会影响转换器的输出阻抗。为了准确评估运行,我们进行模拟,最大时间步长设置为50 ns,直流相对公差设置为0.001%。分析在TINA-TI,一款免费的Berkeley SPICE 3f5兼容模拟器进行。以300 kHz运行的升压转换器的5 ms模拟运行仅仅在30秒内启动至稳定状态。

电流分流监视器(CSM)放置在哪里?

CSM可以放置在升压转换器的输入或输出端。在此次的模拟中,CSM放置在输出端,感测流经10-mΩ 分流器的电流。分流器与输出PMOS通道元件(T5)串联布置。根据CSM的布局,该电路可以防止内部或外部短路。但是,CSM必须设计在所有工作条件下有足够的共模范围(CMR)。

如果放置在升压转换器的输入端,则可以选择较低CMR的CSM。但是,将CSM置于输出端会绕开升压电感器,会加速短路的反应时间。不管CSM放在何处,应使用RC滤波器来减少分流电阻引起的突发di/dt事件而可能发生的噪声和谐振振铃。可以放置一个小的100Ω电阻和差分电容器,其时间常数是分配器估计的Lp/R时间常数的三倍,其中Lp为寄生并联电感器。由于CSM的增益误差和带宽会受到噪声滤波器的不利影响,因此要保持滤波器数值很小。

模拟结果

模拟结果如图5所示,Vg是PMOS FET的控制电压,在正常条件下设置为-6V。根据FET的阈值电压、阀级电荷和饱和特性,需要进行优化。将阀的电压最小化可以提高反应时间,并且应选择上拉电阻,将中断周期最小化。请注意,输入电流和阈值电压显示为高阀级电荷(紫色)和低阀级电荷(蓝色)MOSFET。

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图5.标准有线和无线网络将传输物理建筑系统和建筑管理设备之间传递的相对简单的命令和数据。

很显然,下栅极充电器件将输入端所看到的电流最小化。选择MOSFET和栅极驱动电路以获得最佳响应是重要的考虑因素,限制di/dt并满足MOSFET的安全操作要求。这些是不易分析的复杂设计考虑因素; 因此,最好先进行模拟和确认。

某些示波器(如Tektronix产品)提供了专门的测试软件,可以计算MOSFET安全工作曲线的开关功率损耗。模拟表明响应时间小于2μs,在电流中断前,输入电流小于6A。选择中断FET将影响峰值输入和输出电流。驱动高端NMOS器件的高性能热插拔控制器是另一种选择,能够实现小于250ns的中断时间。这些设备针对背板热卡插入进行了优化,但可能会提供比此处展示的更高性能的解决方案。

避免失败

在模拟的电路中,在变化的负载条件下,会中断或者限制升压转换器LED驱动器的输入/输出电流。该电路经过优化,可用于汽车LED前照灯驱动器。模拟表明,实现最佳电路响应时间需要仔细分析和组件选择。将这些敏感度集成到综合时域电路仿真中,有助于理解电路对工作条件和元件选择的特征。

专门的热插拔控制器具有专门的功能和优化的性能,应该考虑。无论哪种情况,在实施电路中断或限制电源时,都需要仔细分析。为LED驱动器设计强大的保护电路很复杂,想加速分析和设计,像TINA-TI、SPICE和WEBENCH这样的软件是很有用的工具。

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