防止LED驱动器输出对地短路

在诸如汽车LED照明等应用中，由于驾驶员通常远离LED，因此需要增加短路保护功能，JOHN RICE在本文中介绍了如何防止LED驱动器输出对地短路。

非同步、升压、电源转换拓扑经常用于LED驱动器等应用中。在这些应用中，输入电压 (VIN) 不足以正向偏置一组串联/并联LED灯串。这个电感开关拓扑生成了实现LED电流调节所必要的依从电压，并且通常用于LCD背光应用中。例如在远离驾驶员的汽车内部和外部照明等LED矩阵应用中，一旦发生输出对地短路的危险，就会产生灾难性的后果。限制电流并运行保护电路作为电子断路器能够防止这些灾难性的故障。

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) 物理连接至其输出端。因此，输出上的短路情况会使升压电感器饱和，其造成的电流尖峰足以损坏升压二极管。而更糟糕的是，此短路情况也会干扰到所有连接到输入端的器件，其中包括脉宽调制 (PWM) 控制器。很明显，在使用中这种拓扑时，需要某种类型的电路保护，来为远程LED供电。接下来将考虑设计一个多用途、低成本电路，此电路可被优化为保护升压转换器，并防止输入端出现短路负载情况。此外，我们将通过一个模拟电路来验证所需的响应。

图1. 基于非隔离式升压拓扑的LED驱动器电路

电流限制器和电子断路器

分流监视器 (CSM) 是一种高精度、高增益差分电流感测放大器，经常被用来监视输入和输出电流。图2显示的是其典型配置。这个特定器件集成了一个开漏比较器;此比较器可被设定为在预先设置的线路电流上跳变、锁存和复位。

图. 2. 一个分流监视器组件增加了保护功能

此比较器的输出可被用来控制一个可以在几毫秒内中断负载短路的外部MOSFET开关。除了在输出上出现故障情况时中断输入电流外，模拟输出还可以解决开关稳压器的所谓的“负输入阻抗”问题，阻止输入电流随输入电压的减少而增加。

通过将输入电流与输出电流以逻辑“或”的配置方式相连接，可实现对输入的钳制。如图3中所示，其目的是为了生成一个驱动PWM控制器的复合反馈信号。然后，CSM使输出电流反馈无效，并且强制LED电流在输入电压下降到一个预设电平以下时减少，从而限制输入电流。

图 3. 输入限流器依赖感测输入和输出电流

电路操作

图4显示了一个具有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。电路中显示的Osram Opto Semiconductors Ostar公司生产的LED是一款针对汽车前灯应用的器件，实际上是位于一块绝缘金属基板上的单片、LED。此器件具有额定值为2A的浪涌电流(少于10 μs)，以及电流为1A时18V的典型正向电压。DC/DC升压转换器感测反馈引脚上的正向LED电流，并且充分调整输出电压，以调节LED电流。LED电流由感测电阻器 (RSNS) 设定，它的值与PWM转换器的内部带隙基准成比例 (RSNS = VREF/ILED)。使用一个具有低基准电压的升压转换器能够更轻松地实现较高的转换器效率，并减少组件热应力。

图4. 具有短接负载故障保护功能的LED升压驱动器电路

虽然使用寿命可以长达50000小时以上，但LED对于温度和电过应力十分敏感，而且它们的动态阻抗特性经常会给开关稳压器组件的选择和控制环路的设计提出难题。这份操作说明书中对这些选择和设计难题进行了说明。按照这种方法开发出了图4中显示的电路仿真来分析LED驱动器/保护电路的复杂程度，并在各种不同的工作条件下预测电路运行方式。

为这项分析所选择的PWM控制器具有一个0.26V的反馈基准电压。所以，LED电流为1A时，LED感测电阻器的功率耗散只有0.26W。由于CSM具有值为50的增益，就需要一个小很多的感测电阻器来感测输出电流。当流经CSM分流电阻器的电流超过CSM感测电阻器设定的限值时，CSM增益和比较器阀值 (R, R)，PMOS导通晶体管中断负载电流—从而发挥电子断路器的作用。

可通过将RESET引脚切换为低电平来复位锁存输出。然而，考虑到这篇文章的目的，RESET已经被禁用，以检验响应速度。响应速度和峰值电流取决于很多变量。这些变量包括组件选择、CSM带宽、噪声滤波器、输出电容、FET选择、和输出升压电感器。这些因素和在一起会影响转换器的输出阻抗。为了准确评估运行方式，我们曾以50ns的最大时间步进和设定为0.001%的直流相对容限运行仿真。此分析在TINA-TI，一款免费的Berkeley SPICE 3f5兼容仿真器中运行。工作频率300kHz的升压转换器的5ms仿真在仅仅30秒以内即可启动至稳定状态。