【導讀】隨著汽車電子行業(yè)的快速發(fā)展,具有寬輸入電壓范圍的高密度LED驅(qū)動芯片,被廣泛應用于汽車類照明,包括車外前部和尾部照明、內(nèi)部照明和顯示屏背光照明。
LED驅(qū)動芯片按照調(diào)光方式可以分為模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。模擬調(diào)光相對簡單,PWM 調(diào)光相對復雜,但線性調(diào)光范圍比模擬調(diào)光更大。LED驅(qū)動芯片作為一類電源管理芯片,其拓撲主要有Buck 和Boost。Buck電路的輸出電流連續(xù)使其輸出電流的紋波更小,要求的輸出電容更小,更有利于實現(xiàn)電路的高功率密度。
圖1 輸出電流 Boost vs Buck
LED驅(qū)動芯片常見的控制模式有電流模式 (CM),COFT(controlled OFF-time)模式, COFT&PCM(peak current mode)模式。TI經(jīng)典的LED驅(qū)動LM3409,TPS92515就是采用COFT控制。相比于電流模式控制,COFT 控制模式不需要環(huán)路補償,有利于提高功率密度,同時具有更快的動態(tài)響應。
區(qū)別于其他控制模式,COFT控制模式的芯片具有單獨的COFF Pin 腳用于關斷時間的設置。本文基于典型的COFT控制的Buck LED驅(qū)動芯片,介紹對COFF的外部電路的配置和注意事項。
COFF的基本配置及注意事項
COFT模式的控制原理是當電感電流達到設置的關斷電流大小時,上管關斷,下管導通。此時關斷時間恒定為tOFF。當關斷時間達到tOFF后,上管再次導通。上管關閉后,其將保持恒定時間 (tOFF) 關閉。tOFF 由電路外圍的電容 (COFF) 和輸出電壓 (Vo) 來設定。如圖 2 所示。 由于 ILED 受到嚴格的調(diào)節(jié),在變化廣泛的輸入電壓和溫度下, Vo 將保持幾乎恒定,從而產(chǎn)生幾乎恒定的 tOFF,可以利用Vo 來計算tOFF。
圖2. 關斷時間控制電路和 tOFF計算公式
需要注意的是,當選擇的調(diào)光方法或者調(diào)光電路要求輸出短路時,此時會發(fā)生電路無法正常啟動的現(xiàn)象。此時電感電流紋波變大,輸出電壓變得非常低,遠遠小于設定的電壓。當這種故障發(fā)生時,電感電流將以最大的關斷時間工作。通常芯片內(nèi)部設置的最大關斷時間達到200us~300us。此時電感電流和輸出電壓貌似進入了一種打嗝模式,無法正常輸出。圖3所示TPS92515-Q1 在負載采用分流電阻器的時候,電感電流和輸出電壓的異常波形。
圖4所示列舉了三種可能引起以上故障的電路。當調(diào)光方式采用Shunt FET,負載選擇分流電阻器,負載是LED開關矩陣電路的時候,都可能會使輸出電壓短路,而導致無法正常啟動。
圖3 TPS92515-Q1電感電流和輸出電壓( 電阻器負載輸出短路故障)
圖4. 可能引起輸出短路的電路
為了避免這種情況,即使輸出短路的時候,仍需要一路額外的電壓來給COFF進行充電。 VCC/VDD可以用作的并行電源為 COFF 電容充電,保持穩(wěn)定的關斷時間,并保持恒定的波紋??蛻粼谠O計電路的時候可以在VCC/VDD到COFF之間預留一個電阻ROFF2,如圖5所示,有利于后期調(diào)試工作。與此同時,TI芯片的數(shù)據(jù)手冊通常會根據(jù)芯片內(nèi)部的電路給出具體的ROFF2的計算公式來方便客戶對電阻的選擇。
圖5 SHUNT FET 外接ROFF2的改進電路
以圖3 TPS92515-Q1的短路輸出故障為例,采用圖5的改進方法,在VCC和COFF之間加一個ROFF2 對COFF進行充電。
選擇 ROFF2 分為兩步,第一步是計算輸出采用分流電阻器時所需的關閉時間 (tOFF-Shunt), 其中VSHUNT 是負載采用分流電阻時的輸出電壓。
第二步是用tOFF-Shunt 來計算ROFF2, 由VCC經(jīng)ROFF2對COFF充電,計算公式如下。
根據(jù)計算選擇合適的ROFF2值(50k Ohm),在圖3的故障情況下,連接ROFF2 在VCC和COFF之間,此時電路輸出正常。同時需要注意,ROFF2應該比 ROFF1大得多,如果太低, TPS92515-Q1 將會遇到最小的接通時間問題,這將導致電流增加,并可能損壞芯片設備。
圖6 TPS92515-Q1 電感電流和輸出電壓(加ROFF2 后正常)
參考文獻:
視頻資料:Dimming Methods: Analog Dimming
視頻資料:Dimming Methods: Analog Dimming
TPS92515-Q1 數(shù)據(jù)手冊:https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps92515-q1.pdf
LM3409-Q1數(shù)據(jù)手冊:https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm3409-q1.pdf
Dimming Techniques for Switched-Mode LED Drivers https://www.ti.com/lit/an/snva605/snva605.pdf
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