Synchronous Boost Converter Powers High Current LEDs Even at Low Input Voltages
即使在低輸入電壓下，同步升壓型轉換器也能為大電流 LED 供電
作者：Kyle Lawrence
高功率LED在現代照明系統中的應用數量不斷激增，涵蓋汽車前照燈、工業/商業標識、建筑照明以及各種消費電子等應用。行業之所以轉向LED技術，是因為固態照明與傳統光源相比具有明顯的優勢：電能轉換為光輸出不僅效率高，而且使用壽命長。
隨著越來越多的應用采用LED照明，為了提高光輸出，對LED更高電流的需求也日益增長。驅動大電流LED串的最大挑戰之一是在功率轉換器級保持高效率，從而提供穩定調節的LED電流。功率轉換器效率不高體現為電流調節器電路的開關元件引起的發熱現象。
LT3762 是一款同步升壓型LED控制器，旨在減少高功率升壓型LED驅動器系統中常見的效率損耗源。該器件的同步運行可最大限度地減少異步DC-DC轉換器中箝位二極管的正向壓降通常會產生的損耗。這一效率提升使LT3762能夠提供比類似異步升壓型LED驅動器更高的輸出電流，特別是在低輸入電壓時。為了改善低輸入電壓時的工作性能，通過配置一個板載DC-DC穩壓器，即使輸入電壓降至7.5 V以下，也能為柵極驅動電路提供7.5 V的電壓。在低輸入電壓條件下提供強大的柵極驅動電壓源，使得MOSFET在輸入電壓降低時產生較少的熱量，從而使工作電壓輸入范圍最低達3 V。
圖 1.LT3762 演示電路 (DC2342A) 可在寬輸入電壓范圍內以 2 A （最高 32 V ）驅動 LED 。
通過額外的 MOSFET 和電容可輕松修改該演示電路，以提高輸出功率。
該款升壓型LED控制器可配置為在100 kHz至1 MHz固定開關頻率之間工作，提供−30% × fSW 展頻調制選項，以降低與開關相關的EMI能量峰值。LT3762可采用升壓、降壓或升壓/降壓拓撲驅動LED。高端PMOS斷開開關有助于PWM調光，并在LED處于開路/短路狀態時保護器件免受潛在損害。
LT3762采用內部PWM發生器，利用單個電容和一個直流電壓來設置頻率和脈沖寬度，以實現高達250:1的PWM調光比，也可使用外部PWM信號實現高達3000:1的調光比。圖2中的原理圖顯示使用LT3762的演示電路應用(DC2342A)，其中LT3762配置為在4 V至28 V的輸入電壓范圍內以2 A（最高32 V）驅動LED。LT3762同步升壓型LED控制器采用4 mm × 5 mm QFN封裝和28引腳TSSOP封裝。
同步開關
在異步DC-DC轉換器拓撲中，肖特基箝位二極管用作無源開關，以簡化轉換器對單個MOSFET進行脈沖寬度調制的控制方案。雖然這確實簡化了控制，但它限制了輸出電流的大小。肖特基二極管與PN結器件一樣，在任何電流通過器件之前都會具有正向壓降。由于肖特基二極管的功耗是其正向壓降與電流的乘積，因此輸出電流水平過高將產生數瓦的導通功耗，從而使肖特基二極管升溫，最終導致轉換器效率降低。
LT3762同步開關轉換器與異步轉換器不同，不會有輸出電流受限的情況，這是因為同步轉換器采用第二MOSFET代替肖特基二極管。MOSFET與肖特基二極管不同，它沒有正向壓降。相反，當MOSFET處于完全增強狀態時，其漏極到源極間的電阻非常小。在大電流下，MOSFET產生的導通損耗遠低于肖特基二極管，因為功耗與漏源電阻的平方和通過器件的電流的乘積成正比。即使在最低7 V的全功率輸入電壓下，MOSFET也只會面臨大約30°C的溫升（如圖3所示）。
低輸入電壓工作
高功率升壓型LED控制器的另一個挑戰發生在低輸入電壓工作期間。大多數升壓型DC-DC穩壓器IC使用由器件輸入端供電的內部LDO穩壓器，為IC中的模擬和數字控制電路提供較低的電壓電源。在從內部LDO穩壓器獲取電源的電路中，柵極驅動器消耗的功率最大，并且它的性能受LDO穩壓器輸出波動的影響。當輸入電壓降至LDO的輸出電壓以下時，LDO輸出開始驟降，這將限制柵極驅動器正常增強MOSFET的能力。當MOSFET處于未完全增強狀態時，它們工作于較高電阻狀態，因此當電流通過器件時會以熱量形式耗散功率。
圖 2.32 V 、 2 A LT3762 升壓型 LED 驅動器
圖 3. 在相同測試條件下，選用類似的元件，同步 LT3762 （左圖）驅動 2 A 、 32 V 的 LED 串，
其溫升遠低于異步 LT3755-2 電路（右圖）。這種熱性能的提高歸功于以同步 MOSFET 代替
肖特基箝位二極管，從而可消除二極管正向壓降引起的損耗。
升壓轉換器拓撲中的低輸入電壓工作特性將導致輸入電流較高，當該電流必須流過電阻更大的MOSFET器件時，會加劇導通損耗。根據穩壓器IC的柵極驅動電壓，這會嚴重限制器件可實現且不發生過熱的低輸入電壓范圍。
LT3762采用集成式降壓-升壓型DC-DC穩壓器，而非LDO穩壓器，即使輸入電壓很低時，也可為內部電路提供7.5 V的電壓。該降壓-升壓型穩壓器僅占用LT3762 IC的三個引腳，只需兩個額外元件。與具有4.5 V和6 V最小輸入電壓的內部LDO控制器器件相比，LT3762能夠將輸入電壓工作范圍下限擴展至3 V。降壓-升壓型轉換器的7.5 V輸出可為柵極驅動器提供電源，并允許使用6 V/7 V柵極驅動MOSFET。MOSFET的柵極驅動電壓越高，往往漏源電阻就越低，并且與柵極驅動電壓較低的類似器件相比，（除開關損耗以外）工作效率更高。
圖 4.32 V 、 2 A LT3762 LED 驅動器可在寬輸入范圍內保持高效率。
低 VIN 折返有助于避免過大的開關 / 電感電流。異步開關以 24 V 輸入電壓啟動。
靈活的拓撲
與ADI公司大多數其他升壓型LED驅動器一樣，LT3762驅動LED的模式可重新配置，既可采用升壓配置，也可采用降壓、升壓-降壓和降壓-升壓模式。在這些升壓型轉換器的拓撲變體中，利用ADI公司獲得專利的升壓-降壓模式配置可作為升壓/降壓型轉換器工作，同時還具有低EMI工作的優勢。該拓撲利用兩個電感，一個面向輸入，另一個則面向輸出，幫助濾除開關所產生的噪聲。這兩個電感有助于抑制耦合到輸入電源、可能連接的其他器件以及LED負載的EMI。
還可在升壓-降壓模式的拓撲中添加額外電路，以提供LED– 節點到GND的短路保護。圖5中的原理圖顯示LT3762采用升壓-降壓模式配置，并增加了該保護電路。當LED– 短路到GND時，會強制關閉M4，以阻斷經過電感到輸入的導通路徑并防止過度消耗電流。強制關閉M4時，D3將EN/UVLO引腳拉至低電平，從而在消除短路前阻止轉換器開關。將這一額外保護電路與LT3762的內置開路/短路檢測結合使用，就能獲得一個能夠應對惡劣環境中各種故障狀況的強健解決方案。
結論
異步升壓型轉換器正常工作時，通常很難避免在提供高輸出電流時，不會產生大量的功率損失并造成箝位二極管發熱。除了肖特基二極管產生的損耗之外，這些轉換器在輸入電壓降低時難以保持最大功率輸出能力，這限制了輸入范圍內的功率輸出。異步DC-DC轉換器根本無法適用于更高功率水平，因此必須采用同步開關方案以滿足應用規格要求。LT3762升壓型LED控制器通過其同步開關解決了提供大電流輸出的問題，由于采用了板載DC-DC轉換器，它能夠在更低的輸入電壓下工作，并且可靈活采用各種電路拓撲。
圖 5.LT3762 采用 25 V 、 1.5 A 升壓 - 降壓配置，帶有額外的 LED– 至 GND 的短路保護。
Kyle Lawrence [kyle.lawrence@analog.com]是ADI公司應用工程師。他負責設計和測試各種DC-DC轉換器，包括針對低EMI汽車應用的4開關降壓-升壓穩壓器和LED驅動器。他2014年畢業于加州大學圣克魯茲分校，獲電氣工程學士學位。
