将降压稳压器转换为智能LED驱动器，包括调光

凭借其长寿命和低能耗，LED有望改变照明行业，但快速采用的关键限制因素是LED本身的成本。LED灯具（完整的电灯单元）的成本各不相同，但LED的成本通常占灯具总成本的25%至40%左右，预计在多年内仍将很高（图1）。

图1.LED 灯具成本明细。1

降低灯具总成本的一种方法是以最高可能的直流电流驱动LED，如其数据表中允许的那样。这可能远高于其“分档电流”。如果驱动得当，这可以产生更大的流明/成本。

图2.LED 光输出和功效与驱动电流的关系。2

但是，这样做需要更高的电流驱动器。许多解决方案可用于在低电流（<500 mA）下驱动LED，但在较高电流（700 mA至4 A）下，选择较少。这似乎令人惊讶，因为半导体领域拥有丰富的DC-DC解决方案，其容量高达4 A，但这些解决方案旨在控制电压，而不是LED电流。本文探讨了一些将现成的DC-DC降压稳压器转换为智能LED驱动器的简单技巧。

降压稳压器斩波输入电压并将其通过LC滤波器以提供稳定的输出，如图3所示。它采用两个有源元件和两个无源元件。有源元件是从输入到电感的开关“A”，以及从地到电感的开关（或二极管）“B”。无源元件是电感（L）和输出电容（C外).它们形成LC滤波器，可减少有源元件产生的纹波。

图3.基本降压排列。3

如果开关是内部的，则降压器称为稳压器，如果开关是外部的，则称为控制器。如果两个开关都是晶体管（MOSFET或BJT），则它是同步的，如果底部开关是用二极管实现的，则它是异步的。这些类别的降压电路各有优缺点，但同步降压稳压器通常会优化效率、器件数量、解决方案成本和电路板面积。遗憾的是，用于驱动大电流LED（高达4 A）的同步降压稳压器数量少且价格昂贵。本文以ADP2384为例，介绍如何修改标准同步降压稳压器的连接以调节LED电流。

ADP2384高效同步降压稳压器额定输出电流高达4 A，输入电压高达20 V。 图4显示了用于调节输出电压的正常连接。

图4.连接用于调节输出电压的ADP2384。

在操作中，输出电压的分频副本连接到FB引脚，与内部600 mV基准电压源相比，并用于为开关产生适当的占空比。在稳态下，FB引脚正好保持在600 mV，因此V外调节在分压比的 600 mV 倍。如果上部电阻被LED取代（图5），输出电压必须为保持600 mV（FB时）所需的电压（在额定值范围内）;因此，通过LED的电流将控制在600 mV/R意义.

图5.基本（但效率低下）LED 驱动器。

当从FB到地的精密电阻设置LED电流时，该电路工作得很好，但电阻会消耗大量功率：P = 600 mV ×我发光二极管.对于低LED电流来说，这不是一个大问题，但在高LED电流下，低效率会显著增加灯具的散热（600 mV × 4 A = 2.4 W）。降低FB基准电压会按比例降低功耗，但大多数DC-DC稳压器没有办法调节该基准电压源。幸运的是，对于大多数降压稳压器来说，有两个技巧可以降低基准电压：使用SS/TRK引脚或偏移R。意义电压。

许多通用降压IC包括软启动（SS）或跟踪（TRK）引脚。SS 引脚通过在启动时缓慢增加开关占空比来最大限度地降低启动瞬变。TRK 引脚允许降压稳压器遵循一个独立的电压。这些功能通常组合到单个SS/TRK引脚上。在大多数情况下，误差放大器会将SS、TRK和FB电压中的最小值与基准电压进行比较，如图6所示。

图6.采用ADP2384的软启动引脚操作。

对于灯具应用，将SS/TRK引脚设置为固定电压，并将其用作新的FB基准。来自恒定电压的分压器可以很好地用作参考源。例如，许多降压稳压器IC包括受控的低压输出，例如V注册引脚连接到ADP2384上。为了获得更高的精度，可以使用简单的2端子外部精密基准电压源，例如ADR5040。在任何情况下，从该电源到 SS/TRK 引脚的电阻分压器构成新的基准。将此电压设置为100 mV至200 mV之间通常可在功耗和LED电流精度之间提供最佳折衷方案。用户选择基准电压的另一个好处是 R意义可以选择作为方便的标准值，避免了指定或组装任意精度电阻值来设置LED电流的费用和不准确性。

图7.使用 SS/TRK 引脚降低 FB 基准电压。

使用SS或TRK引脚方法并非适用于所有降压稳压器，因为某些IC没有这些引脚。此外，对于某些降压IC，SS引脚会改变峰值电感电流，而不是FB基准，因此有必要仔细检查数据手册。作为替代方案，R意义电压可以抵消。例如，精确电压源和R之间的电阻分压器意义提供来自 R 的相当恒定的失调电压意义到FB引脚（图8）。

图8.偏移 R意义电压。

电阻分压器的必要值可以使用公式1找到，其中V支持是辅助调节电压，并且F布雷夫（新）是 R 两端的所需电压意义.

因此，为了获得150 mV的有效反馈基准电压源，R2 = 1 kΩ 和V支持= 5 V：

指示灯电流为：

这种方法不需要SS或TRK引脚。FB引脚仍将调节至600 mV（但电压在R意义调节到F布雷夫（新）).这意味着芯片的其他功能（包括软启动、跟踪和电源良好）仍将正常运行。

这种方法的一个缺点是R之间的偏移量意义FB受供应精度的强烈影响。使用ADR5040等精密基准电压源是理想的选择，但精度较低的基准电压源容差（±5%）会导致LED电流±12%的变化。比较如表1所示：

表 1.SS/TRK 和抵消 R 的比较意义

选项 1：使用 SS/TRK 减少 FB 引用	选项 2：偏移 R意义电压
±5% 电源电压变化在 I 上产生 ±5% 的误差发光二极管.这不受 V 的影响意义电压;因此，此方法具有最低的R意义功耗。	±5% 的电源电压变化使 I 上的误差±12%发光二极管.更高 V意义电压可以改善这一点。
非常好的开路/短路 LED 保护。FB_OVP不考虑间歇性开路保护。LED电流受电感和控制环路速度的限制。	非常好的开路/短路 LED 保护。此外，一些IC具有另一个FB基准电压源（FB_OVP），如果FB比正常电压升高50 mV至100 mV，则立即禁用开关。这保证了间歇性故障期间的最大 LED 过电流。
PGOOD将始终保持低位。	由于FB引脚仍调节至600 mV，因此PGOOD引脚正常工作。
通过将SS/TRK引脚保持在低于正常水平的水平，某些故障模式可能无法正常工作。	所有故障模式工作正常。

精确电流调节的另一个关键是正确布局布线到检测电阻。4端子检测电阻是理想的选择，但可能很昂贵。良好的布局技术允许使用传统的2端子电阻获得高精度，如图9所示。4

图9.建议使用 R 的 PCB 走线布线意义.

超越监管

使用现成的降压稳压器调节LED电流非常简单。此处所示的示例采用ADP2384。一篇内容更丰富的论文还包括使用ADP2441的示例，ADP2441是一种引脚更少、输入电压范围为36 V的器件。它展示了一些示例，说明如何实现专用LED降压稳压器提供的许多“智能”功能，例如LED短路/开路故障保护、R意义开路/短路故障保护、PWM 调光、模拟调光和电流折返热保护。我们将在这里讨论PWM和模拟调光以及电流折返，使用ADP2384，如上例所示。

通过 PWM 和模拟控制进行调光

“智能”LED驱动器的一个关键要求是通过调光控制来调节LED亮度，使用两种方法之一：PWM和模拟。PWM 调光通过调节脉冲占空比来控制 LED 电流。如果频率高于约120 Hz，人眼会平均这些脉冲以产生感知的平均亮度。模拟调光将 LED 电流调整为恒定 （dc） 值。

PWM调光可以通过打开和关闭与R串联插入的NMOS开关来实现意义.这些电流水平需要一个功率器件，但增加其中一个功率器件会破坏使用包含其自身电源开关的降压稳压器所获得的尺寸和成本效益。或者，可以通过快速打开和关闭稳压器来执行PWM调光。在低 PWM 频率 （<1 kHz） 下，这仍然可以提供很高的精度（图 10）。

图 10.ADP2384 PWM调光线性度—200 Hz时输出电流与占空比的关系。

与所有通用降压稳压器一样，ADP2384没有用于施加PWM调光输入的引脚，但可以操纵FB引脚来启用和禁用开关。如果FB变为高电平，则误差放大器变为低电平，降压开关停止。如果 FB 重新连接到 R意义，然后恢复正常调节。这可以通过低电流NMOS晶体管或通用二极管来完成。在图11中，高PWM信号连接R意义到 FB，启用 LED 调节。低 PWM 信号关闭 NMOS，上拉电阻使 FB 变为高电平。

图 11.使用ADP2384进行PWM调光。

PWM调光非常流行，但有时需要无噪声的“模拟”调光。模拟调光只是缩放恒定的LED电流，而PWM调光则将其斩波。如果使用两个调光输入，则需要模拟调光，因为多个PWM调光信号会产生拍频，从而导致闪烁或可听噪声。但是，PWM可用于一种调光控制，而模拟可用于另一种调光控制。对于通用降压稳压器，实现模拟调光的最简单方法是通过调整FB基准电压源电路的电源来操纵FB基准电压源，如图12所示。

图 12.模拟调光电路。

热折返

由于LED的寿命在很大程度上取决于其工作结温，因此有时需要监控LED温度并在温度过高时做出响应。异常高温可能是由散热器连接不良、环境异常高温或其他极端条件引起的。一种常见的解决方案是在温度超过某个阈值时降低 LED 电流（图 13）。这称为 LED 热折返。

图 13.所需的 LED 热折返曲线。

在这种类型的调光中，LED保持全电流，直到达到温度阈值（T1），超过该阈值，LED电流随着温度的升高而开始减小。这限制了LED的结温并延长了其使用寿命。低成本NTC（负温度系数）电阻通常用于测量LED的散热器温度。只需对模拟调光方案稍作修改，NTC的温度即可轻松控制LED电流。如果使用 SS/TRK 引脚控制基准电压源，则一个简单的方法是将 NTC 与基准电压并联（图 14）。

图 14.使用 SS/TRK 引脚的 LED 热折返。

随着散热器温度的升高，NTC电阻下降。NTC与R3形成电阻分压器。如果分压器的电压高于基准电压，则提供最大电流;如果NTC电阻电压降至基准电压以下，则FB基准电压以及LED电流开始下降。

结论

这些技巧应作为使用标准降压稳压器实现全面LED功能的一般准则。但是，由于这些功能有点超出降压IC的预期应用范围，因此最好与半导体制造商联系，以确保IC可以处理这些工作模式。

审核编辑：郭婷