在直流輸入的電源轉換器中有很多設計嚴謹的Buck轉換器會具有輸出過壓保護,但這種做法在LED驅動器中就很少見,RT8474A是這方面的特例。下圖是RT8474A在Buck組態下的應用電路圖:
其中的R3和R4是用于電壓取樣以實現過壓保護(Over Voltage Protection, OVP)的電阻。
對于LED驅動器來說,輸出控制的對象是流過LED的電流,電壓通常不再是人們關注的對象,所以有些由電壓帶來的影響可能會被忽略掉。
大多數Buck架構的LED驅動器都采用了類似這樣的電路拓撲:
在這個電路中,VIN為輸入;負載為LED1~LEDn構成的LED串,其中流過的電流在LED串兩端形成輸出電壓VOUT;電阻RS用于輸出電流的檢測,控制器通過檢測RS兩端的壓差對PWM信號的占空比進行控制;電容COUT對輸出電流進行濾波,使得最終流過LED串的電流成為穩定的直流。為了降低不必要的損耗,RS上的壓差很小,VOUT和COUT上的電壓非常接近。
這個電路在正常情況下什么問題都不會有,但是如果LED串出現了開路的狀況,問題就可能出現了。
當LED開路時,流過LED的電流通道已經不存在,所以RS上的電壓差為0,控制系統將自動使PWM信號的占空比升到最大值并持續處于這一狀態。在此過程中,由于MOSFET開關SW導通而形成的電流只能流過輸出電容COUT,所以COUT上的最終電壓將等于輸入電壓VIN。
在Buck應用中,輸入電壓VIN總是大于輸出電壓VOUT,也就是說VIN總是高于LED串的正向導通電壓,而現在電容COUT上的電壓已經高于正常的LED串導通電壓了,如果我們在此時將LED串接入電路,留存在COUT中的電能就將沒有什么限制地流過LED,可憐的LED通常很難承受此電流的沖擊,它們將因過熱而被燒毀。在Buck架構中加入過壓保護的目的就是為了避免這一問題的發生。
我們假設電阻RS上的電壓差為0(通常都很小,設為0不影響做分析),在穩定情況下,電容電壓不會突變,LED串兩端電壓與電容電壓總是相等的,所以LED電流能夠很穩定。隨意找一款LED的規格書來看看,我們就可以看到LED的I/V特性是很陡峭的,電壓的很小變化可以導致電流的很大變化,而且電壓越高,這一效應也越明顯,這也正是對LED的驅動要以電流為控制目標而不能用電壓對它進行驅動的原因。現在由于開路而使電容COUT上的電壓升高了許多,再用這個電壓加載LED就非常危險。這種狀況和我們此前談過的EOS問題是如出一轍,只是對像變了而已,本質卻是相同的。
再回到RT8474A的原理圖中,我們看到R4和R3與輸出電容是并聯的關系:
假如COUT上的電壓升高了,R4上的分壓將加大,即VISP – VOVP增大,當其高過某個閾值,我們就可以認為過壓了,這將觸發RT8474A的過壓保護功能,此后就將VISP – VOVP穩定在一個新的值上,這個值所對應的輸出電壓最好是低于LED串正常工作時的導通電壓,因而再接入LED的時候就是安全的,不會有太大的電流流過它。
在RT8474A的規格書中,上面提到的這個過壓保護觸發閾值是1.2V,過壓保護發生以后要實現的VISP – VOVP穩定值是1V。這些參數在規格書中如下圖所示列出:
在實際的應用中,我們只要知道可能的LED串的最高正向電壓,假設為38V,在此基礎上再加上RS上的額定電壓(100mV,見RT8474A規格書),我們就知道COUT上的最高電壓為38.1V,根據LED串的特性再增加一點裕量如0.5V,OVP的電壓值就被設定成了38.6V。設R4=10k,則R3=10k * (38.6 – 1.2)/1.2 = 311.7k,這樣就確定了兩個電阻的值,由此導致的OVP觸發電壓是38.6V,OVP被觸發以后的穩定輸出電壓值是1V * (311.7+10)/10=32.17V。
RT8474A的規格書中提供了一幅圖,它顯示了LED從正常工作的電路中被移走、再接入整個過程中的輸出電壓、負載電流變化過程,這里可以參考一下。
圖中最下面一條曲線是流過LED的電流波形,再往上是輸出電壓的波形。我們可以從中看到,當LED電流發生下跳之后,輸出電壓很快就上升到了最大值,然后就逐漸下降,最后穩定在一個確定的位置上。當電流因再次接入負載而發生上跳變的時候,輸出電壓出現了短暫的下降,這是由于LED的接入消耗了輸出電容中的電能,而轉換部分的動作還沒有開始,輸出電容上的能量得不到補充,所以會有這一現象。而這一現象的出現也消除了OVP狀態,使轉換系統進入正常的工作狀態,LED的供電進入正常化。
如果我們很細致的看上述的輸出電壓波形,我們可以看到觸發OVP時的輸出電壓和OVP生效以后的輸出電壓都是高于工作正常時的輸出電壓的,但由于過壓保護時的輸出電壓與LED接入時的輸出電壓非常接近,剛接入的LED上沒有出現大電流,這種狀況和兩者壓差的大小及輸出電容的容量大小都有一定關系。如果LED再次接入時電容上的電壓比LED導通電壓高很多,出現超過其正常工作電流的可能性就非常大,LED就很危險了。由此可見,RT8474A采用這樣的過壓保護方法是很合理的。
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