憑借使用壽命長(zhǎng)和功耗低的優(yōu)勢(shì),，LED有望改變整個(gè)照明行業(yè),，但它的快速采用面臨的主要障礙是LED本身的成本居高不下,。LED 燈具（完整電力照明設(shè)備）的成本各不相同,，但LED的成本通常占據(jù)了整個(gè)燈具成本的大約25%至40%,，而且預(yù)期在今后多年內(nèi)仍會(huì)占據(jù)很高比例（圖1）。

圖1. LED燈具成本的細(xì)分1

降低整體燈具成本的一種方法是在產(chǎn)品規(guī)格允許的范圍內(nèi),，在可能最高的直流電流下驅(qū)動(dòng)LED,。此電流可能遠(yuǎn)高于其“分檔電流”。如果正常驅(qū)動(dòng),，這樣可能產(chǎn)生更高的流明/成本比率,。

圖2. LED光輸出和效率與驅(qū)動(dòng)電流2

但是，這種做法需要更高電流驅(qū)動(dòng)器,。很多解決方案在低電流下(<500 mA)驅(qū)動(dòng)LED,，但很少有高電流（700 mA至4 A）的選擇方案。這一現(xiàn)象似乎令人驚訝，因?yàn)榘雽?dǎo)體行業(yè)有大量的容量達(dá)到4 A的DC-DC解決方案,，但它們的設(shè)計(jì)目的是控制 電壓,， 而不是控制LED電流。本文將探討將現(xiàn)成DC-DC降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為智能LED驅(qū)動(dòng)器的一些簡(jiǎn)單技巧,。

降壓穩(wěn)壓器對(duì)輸入電壓進(jìn)行斬波,，并通過(guò)LC濾波器傳送，以提供穩(wěn)定的輸出,，如圖3所示,。它使用兩個(gè)有源元件和兩個(gè)無(wú)源元件。有源元件是從輸入到電感的開關(guān)“A”,，以及從地面到電感的開關(guān)（或二極管）“B”,。無(wú)源元件是電感(L)和輸出電容(COUT)它們形成LC濾波器，可以減小由有源元件產(chǎn)生的紋波,。

圖3. 基本降壓方案3

如果開關(guān)是內(nèi)部的,，則降壓器稱為穩(wěn)壓器 如果開關(guān)是外部的，則稱為 控制器如果兩個(gè)開關(guān)都是晶體管（MOSFET或BJT）,，則它是同步 的,，如果底部的開關(guān)是使用二極管實(shí)施的，則它是 異步 的,。這些類型的降壓電路各有優(yōu)劣,，但同步降壓穩(wěn)壓器通常可以優(yōu)化效率,、器件數(shù)量,、解決方案成本和電路板面積。遺憾的是,，用于驅(qū)動(dòng)高電流LED（高達(dá)4 A）的同步降壓穩(wěn)壓器很少,，而且成本昂貴。本文以 ADP2384為例,，展示如何修改標(biāo)準(zhǔn)同步降壓穩(wěn)壓器的連接以調(diào)節(jié)LED電流,。

ADP2384高效同步降壓穩(wěn)壓器指定最高4 A的輸出電流，具有最高20 V的輸入電壓,。圖4顯示了用于調(diào)節(jié)輸出電壓的正常連接,。

圖4. 連接用于調(diào)節(jié)輸出電壓的ADP2384

在工作中，經(jīng)過(guò)分壓的輸出電壓連接到FB引腳,，與內(nèi)部600 mV基準(zhǔn)進(jìn)行比較,，用于生成開關(guān)的適當(dāng)占空比。在穩(wěn)態(tài)下,，F(xiàn)B引腳保持在600 mV,，因此VOUT調(diào)節(jié)至600 mV乘以分頻比,。如果上方的電阻被LED取代（圖5），則輸出電壓必須是需要的任何值（在額定值范圍內(nèi)）,，將FB維持在600 mV,；因此，通過(guò)LED的電流被控制在600 mV/RSENSE,。

圖5. 基本（但不高效）的LED驅(qū)動(dòng)器

當(dāng)從FB到地面的精密電阻設(shè)置LED電流時(shí),，此電路使用效果很好，但電阻消耗了很多功率： P = 600 mV × ILED 對(duì)于低LED電流,，這不是大問(wèn)題,，但在高LED電流下，低效率會(huì)大幅增加燈具散發(fā)的熱量(600 mV × 4 A = 2.4 W),。降低FB基準(zhǔn)電壓可以成比例降低功耗,，但大多數(shù)DC-DC穩(wěn)壓器沒(méi)有調(diào)節(jié)此基準(zhǔn)的方式。幸運(yùn)的是,，兩個(gè)技巧可降低大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓：使用SS/TRK引腳—或偏移RSENSE 電壓,。

很多通用降壓IC包括軟啟動(dòng)(SS)或跟蹤(TRK)引腳。SS引腳可緩慢增加啟動(dòng)時(shí)的開關(guān)占空比,，從而最大程度地減小啟動(dòng)瞬變,。TRK引腳讓降壓穩(wěn)壓器能夠遵循獨(dú)立電壓。這些功能通常結(jié)合到單個(gè)SS/TRK引腳上,。大多數(shù)情況下,，誤差放大器將SS、TRK和FB電壓中的最小值與基準(zhǔn)進(jìn)行比較,，如圖6所示,。

圖6. 使用ADP2384的軟啟動(dòng)引腳工作

對(duì)于燈具應(yīng)用，將SS/TRK引腳設(shè)置為固定電壓,，并將其用作新的FB基準(zhǔn),。恒壓分壓器充當(dāng)基準(zhǔn)電壓源非常有效。例如,，很多降壓穩(wěn)壓器IC包括受控低壓輸出—如ADP2384上的VREG引腳,。為了達(dá)到更高精度，可以使用簡(jiǎn)單的2引腳外部精密基準(zhǔn)電壓源,，例如 ADR5040,。在任何情況下，從該電源到SS/TRK引腳的電阻分壓器形成新的基準(zhǔn)電壓源,。將此電壓設(shè)置在100 mV和200 mV之間，通?？梢蕴峁┕暮蚅ED電流精度之間的最佳平衡,。用戶選擇的基準(zhǔn)電壓的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是RSENSE可以選擇方便的標(biāo)準(zhǔn)值，從而避免指定或分配任意精密電阻值來(lái)設(shè)置LED電流的開支和不精確性。

圖7. 使用SS/TRK引腳以降低FB基準(zhǔn)電壓

使用SS或TRK引腳方法并非對(duì)于所有降壓穩(wěn)壓器都是可行的,，因?yàn)橛行㊣C沒(méi)有這些引腳,。另外，對(duì)于某些降壓IC,，SS引腳會(huì)改變峰值電感電流,，而不是FB基準(zhǔn)，因此必須仔細(xì)查看產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè),。作為一種替代方法,，可以產(chǎn)生RSENSE電壓偏移。例如,，精密電壓源和RSENSE之間的電阻分壓器提供從RSENSE 到FB引腳的相當(dāng)恒定的偏移電壓（圖8）,。

圖8. 產(chǎn)生RSENSE電壓偏移

電阻分壓器的必需值可以使用公式1計(jì)算，其中 VSUP是輔助調(diào)節(jié)電壓,， FBREF(NEW)是RSENSE兩端的目標(biāo)電壓,。

因此，可使用以下公式獲取150 mV的有效反饋基準(zhǔn),，其中R2 = 1 kΩ,，VSUP = 5 V:

LED電流為：

這種方法不需要SS或TRK引腳。FB引腳仍然調(diào)節(jié)至600 mV（但RSENSE的電壓調(diào)節(jié)至FBREF(NEW)）,。這意味著芯片的其他功能（包括軟啟動(dòng),、跟蹤和電源良好指示）仍將正常運(yùn)行。

這種方法的缺點(diǎn)是RSENSE和FB之間的偏移受到電源精度的嚴(yán)重影響,。使用ADR5040等精密基準(zhǔn)電壓源可能是理想的,，但不太精確的±5%基準(zhǔn)容差可能在LED電流上產(chǎn)生±12%的變化。表1顯示了比較結(jié)果：

表1. SS/TRK和偏移RSENSE的比較

精確電流調(diào)節(jié)的另一個(gè)關(guān)鍵是適當(dāng)布局連接至檢測(cè)電阻。4引腳檢測(cè)電阻是理想之選,，但可能成本比較昂貴,。借助良好的布局技術(shù)，我們可以使用傳統(tǒng)的2引腳電阻實(shí)現(xiàn)高精度,，如圖9所示,。4

圖9.RSENSE的建議PCB走線路徑

除調(diào)節(jié)之外的功能
使用現(xiàn)成的降壓穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)LED電流非常簡(jiǎn)單。此處的示例采用了ADP2384,。更加詳盡的論文還包括使用 ADP2441的示例,，該器件的引腳較少，具有36 V輸入電壓范圍,。該文顯示了一些示例,，展示如何實(shí)施專用LED降壓穩(wěn)壓器提供的很多“智能”功能，例如LED短路/開路故障保護(hù),、RSENSE 開路/短路故障保護(hù),、PWM調(diào)光、模擬調(diào)光和電流折返熱保護(hù),。我們?cè)诒疚闹袑⑹褂蒙侠械腁DP2384,，討論P(yáng)WM和模擬調(diào)光、電流折返,。

使用PWM和模擬控制進(jìn)行調(diào)光
“智能”LED驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)關(guān)鍵要求是使用 調(diào)光制來(lái)調(diào)節(jié)LED亮度,，采用以下兩種方法之一：PWM和模擬。PWM調(diào)光通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖占空比來(lái)控制LED電流,。如果頻率高于120 Hz,，人眼會(huì)均衡這些脈沖，以產(chǎn)生可感知的平均光度,。模擬調(diào)光可在恒定直流值下調(diào)節(jié)LED電流,。

可通過(guò)打開和關(guān)閉與RSENSE串聯(lián)插入的NMOS開關(guān)，實(shí)施PWM調(diào)光,。這些電流水平可能需要功率器件,，但添加功率器件會(huì)抵消通過(guò)使用包含自身電源開關(guān)的降壓穩(wěn)壓器獲得的大小和成本益處?；蛘?，可以通過(guò)快速打開和關(guān)閉穩(wěn)壓器來(lái)執(zhí)行PWM調(diào)光,。在低PWM頻率下(<1 kHz),，這樣仍然可以提供良好的精度（圖10）,。

圖10. ADP2384 PWM調(diào)光線性度—200 Hz下的輸出電流與占空比

與所有通用降壓穩(wěn)壓器相同，ADP2384沒(méi)有針腳來(lái)應(yīng)用PWM調(diào)光輸入,，但可以操控FB引腳以啟用和禁用開關(guān),。如果FB變?yōu)楦唠娖剑瑒t誤差放大器變?yōu)榈碗娖?，降壓開關(guān)停止,。如果FB重新連接到RSENSE則它將恢復(fù)正常調(diào)節(jié)。這可以通過(guò)低電流NMOS晶體管或通用二極管實(shí)現(xiàn),。在圖11中,，高PWM信號(hào)將RSENSE連接到FB，實(shí)現(xiàn)LED調(diào)節(jié),。低PWM信號(hào)關(guān)閉NMOS,，有一個(gè)上拉電阻將FB電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖11. 使用ADP2384進(jìn)行PWM調(diào)光

雖然PWM調(diào)光非常流行，但有時(shí)我們需要無(wú)噪聲的“模擬”調(diào)光,。模擬調(diào)光只是調(diào)節(jié)恒定LED電流,，而PWM調(diào)光則進(jìn)行斬波。如果使用兩個(gè)調(diào)光輸入,，則需要模擬調(diào)光,，因?yàn)槎鄠€(gè)PWM調(diào)光信號(hào)可能產(chǎn)生拍頻，導(dǎo)致閃爍或聲頻噪聲,。但是,，可將PWM用于一個(gè)調(diào)光控制，而將模擬用于另一個(gè)調(diào)光控制,。使用通用降壓穩(wěn)壓器,，實(shí)施模擬調(diào)光的最簡(jiǎn)單方法是通過(guò)調(diào)節(jié)FB基準(zhǔn)電路的電源，控制FB基準(zhǔn),，如圖12所示,。

圖12. 模擬調(diào)光電路

熱折返
由于LED的使用壽命在很大程度上取決于其工作結(jié)溫，有時(shí)必須監(jiān)控LED溫度,，如果溫度過(guò)高,，必須做出響應(yīng)。導(dǎo)致異常高溫的原因可能是散熱器連接不當(dāng),、周邊溫度過(guò)熱或其他一些極端條件,。常見解決方案是在當(dāng)溫度超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)減小LED電流（圖13）。這稱為L(zhǎng)ED 熱折返,。

圖13. 需要的LED熱折返曲線

在這種類型的調(diào)光中,，LED保持在滿載電流,，直至到達(dá)溫度閾值(T1)，在這個(gè)閾值之上,，LED電流隨溫度升高開始降低,。這樣可以限制LED的結(jié)溫，保持它們的使用壽命,。低成本NTC（負(fù)溫度系數(shù)）電阻通常用于測(cè)量LED的散熱器溫度,。通過(guò)對(duì)模擬調(diào)光方案進(jìn)行細(xì)微修改，NTC的溫度可以輕松控制LED電流,。如果SS/TRK引腳用于控制FB基準(zhǔn),，則可以使用一種簡(jiǎn)單方法，將NTC與基準(zhǔn)電壓并聯(lián)放置（圖14）,。

圖14. 使用SS/TRK的LED熱折返

隨著散熱器溫度升高,，NTC電阻下降。NTC形成R3的電阻分壓器,。如果分壓器的電壓高于基準(zhǔn)電壓,，則輸出最大電流；如果NTC電阻電壓降低到基準(zhǔn)電壓之下,，然后降低到FB基準(zhǔn)電壓之下,，則LED電流開始下降。

結(jié)論
這些技巧應(yīng)該作為使用標(biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器實(shí)施全面LED功能的一般指導(dǎo)準(zhǔn)則,。但是,，由于這些功能有一點(diǎn)超出降壓IC的目標(biāo)應(yīng)用范圍，因此您最好聯(lián)系半導(dǎo)體制造商,，確認(rèn)IC能夠處理這些工作模式,。要獲得有關(guān)ADP2384和其他降壓穩(wěn)壓器（例如ADP2441）的更多信息，或者需要這些LED驅(qū)動(dòng)器解決方案的演示板,，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) www.analog.com/lighting,。