組合的電壓和電流控制環(huán)路可簡化 LED 驅(qū)動器、高容量電池 / 超級電容器充電器和最大功率點跟蹤太陽能應(yīng)用

作者：時間：2012-09-07 來源：網(wǎng)絡(luò)

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恒定電流 / 恒定電壓 (CC-CV) 應(yīng)用的迅速發(fā)展 (尤其是在 LED 照明以及高容量電池和超級 電容器充電器領(lǐng)域之中) 給電源設(shè)計人員帶來了挑戰(zhàn)，他們必需及時適應(yīng)電流和電壓控制環(huán)路之間日益復(fù)雜的相互作用與影響。專為 CC-CV 而特別設(shè)計的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器可提供一項明顯的優(yōu)勢，尤其當(dāng)電源的功率有限或者其功率在多個爭用負(fù)載之間進(jìn)行分配時更是如此。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/176276.htm

例如，我們不妨考慮一下從功率受限電源以極短的時間完成一個超級 電容器充電的難題。為了保持恒定的輸入功率，受控的充電電流必須在輸出 (超級 電容器) 電壓增加時減小。通過無縫地組合一個電流調(diào)節(jié)環(huán)路和兩個電壓調(diào)節(jié)環(huán)路以控制一個外部 N 溝道電源開關(guān)，LT^®3796 解決了功率受限或恒定電流 / 恒定電壓調(diào)節(jié)的問題。該器件三個跨導(dǎo)誤差放大器 (它們匯總至補償引腳 V_C) 的固有線“或”工作特性可確保恰當(dāng)?shù)沫h(huán)路 (即：最接近穩(wěn)定狀態(tài)的那個環(huán)路) 居支配地位。

附加的獨立型電流檢測放大器可針對任意數(shù)目的功能進(jìn)行配置，包括輸入電流限制和輸入電壓調(diào)節(jié)。

LT3796 的寬 V_IN 范圍 (6V 至 100V) 及軌至軌 (0V 至 100V) 輸出電流監(jiān)視和調(diào)節(jié)使其適用于眾多的應(yīng)用，從太陽能電池 充電器到高功率 LED 照明系統(tǒng)等均在其列。固定開關(guān)頻率、電流模式架構(gòu)在一個很寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)了穩(wěn)定的操作。LT3796 采用高壓側(cè)電流檢測，因而能用于升壓型、降壓型、降壓-升壓型或 SEPIC 和反激式拓?fù)洹?/div>

具穩(wěn)健輸出短路保護(hù)功能的高功率 LED 驅(qū)動器

圖 1 示出了被配置為一個升壓型轉(zhuǎn)換器的 LT3796，其采用寬輸入范圍驅(qū)動一個 34W LED 燈串。LED 電流在低輸入電壓條件下被降額，以避免外部功率組件出現(xiàn)過熱。前端電流檢測放大器利用下式將輸入電流轉(zhuǎn)換為 CSOUT 引腳上的一個電壓信號，由此來監(jiān)視輸入電流：

V_CSOUT = I_IN • R_SNS1 • R6 / R5

FB1 引腳上的電阻器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)提供 OPENLED 保護(hù)，該功能可限制輸出電壓并防止 ISP 引腳、ISN 引腳和若干外部組件超過其最大額定值。如果某個 LED 發(fā)生開路故障或 LED 燈串從高功率驅(qū)動器移除，則 FB 恒定電壓環(huán)路將在接管以后起作用，并將輸出調(diào)節(jié)至 92.5V。另外，/ VMODE標(biāo)記也被置為有效，以指示發(fā)生了 OPENLED 事件。

圖 1：一款具有穩(wěn)健輸出短路保護(hù)功能的 34W LED 驅(qū)動器

LT3796 包含了獨立于 LED 電流檢測的短路保護(hù)功能電路。該短路保護(hù)功能可避免產(chǎn)生過大的開關(guān)電流，并對功率組件實施保護(hù)。將保護(hù)門限 (典型值為 375mV) 設(shè)計為比默認(rèn)的 LED 電流檢測門限高 50%。

當(dāng)檢測到 LED 過流時，GATE 引腳驅(qū)動至 GND 以停止開關(guān)操作，TG 引腳被拉至高電平以使 LED 陣列與電源通路斷接，而且 / ~~FAULT~~ 引腳被置為有效。增設(shè)了肖特基二極管 D2，以避免 PMOS M2 的漏極在通過一根長電纜短路至地時擺動至遠(yuǎn)低于地電位的電平。內(nèi)置了輔助 PNP Q1，以進(jìn)一步限制瞬態(tài)短路電流。

如果在 SS 引腳和 V_REF 引腳之間沒有電阻器，則轉(zhuǎn)換器進(jìn)入打嗝模式并周期性地進(jìn)行重試，如圖 2 所示。假如在 V_REF和 SS 引腳之間布設(shè)了一個電阻器 (用以在 LED 短路期間將 SS 引腳保持在高于 0.2V)，則 LT3796 進(jìn)入鎖斷模式 (此時 GATE 引腳為低電平，而 TG 引腳為高電平)，如圖 3 所示。如需退出鎖斷模式，則 EN/UVLO 引腳必須從低電平切換至高電平。

圖 2：LED 短路保護(hù)：打嗝模式 (未采用圖 1 中的 R11)

圖 3：LED 短路保護(hù)：鎖斷模式 (采用圖 1 中的 R11)

具有高 PWM 調(diào)光比的 LED 驅(qū)動器

當(dāng)采用一個輸入?yún)⒖?LED 燈串時，允許 LT3796 充當(dāng)一個降壓模式控制器，如圖 4 所示。1MHz 工作頻率可實現(xiàn)一個高的 PWM 調(diào)光比。OPENLED 調(diào)節(jié)電壓通過 CSP、CSN 和 CSOUT 引腳上的獨立電流檢測放大器設(shè)定為：

1.25V • (R3 / R6) • (R5 / R4 + 1)

在 PWM 關(guān)斷期間，LT3796 將停用至 V_C 引腳的所有內(nèi)部負(fù)載，并保持充電狀態(tài)。而且，它還將關(guān)斷 PMOS 開關(guān) M2，以使 LED 燈串與電源通路斷接并阻止輸出電容器放電。這些功能的組合極大地改善了 PWM 信號走高時的LED 電流恢復(fù)時間。即使對于一個 100Hz PWM 輸入信號，這款降壓模式 LED 驅(qū)動器也能實現(xiàn) 3000:1 的調(diào)光比，如圖 5 所示。

圖 4：一款具 3000:1 PWM 調(diào)光比的降壓模式 LED 驅(qū)動器

圖 5：圖4 中的電路在 V_IN = 24V 和 PWM = 100Hz 時實現(xiàn) 3000:1 PWM 調(diào)光比

具 R_WIRE 補償功能的 SEPIC 轉(zhuǎn)換器

配線和電纜中的電壓降會引起負(fù)載調(diào)節(jié)誤差。此類誤差可通過增設(shè)遠(yuǎn)端采樣導(dǎo)線來校正，但在某些應(yīng)用中增設(shè)導(dǎo)線并不是可選的方案。作為一種替代方案，LT3796 能夠針對配線壓降進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，而不受負(fù)載電流的影響 (前提是寄生配線或電纜阻抗是已知的)。

圖 6 示出了一款采用了 R_WIRE 補償功能的 12V SEPIC 轉(zhuǎn)換器。選擇合適的 R_SNSI 以獲得受控于 ISP、ISN 引腳的 1A 負(fù)載電流限值。電阻器網(wǎng)絡(luò) R1–R5 與 LT3796 的集成型電流檢測放大器 (圖 7 中的 CSAMP) 一起用于調(diào)節(jié) OUT 節(jié)點電壓 (V_OUT)，以根據(jù)負(fù)載電流進(jìn)行電壓降的補償。這可確保 V_LOAD 在整個負(fù)載范圍內(nèi)保持恒定 (12V)。

圖 6：該 SEPIC 轉(zhuǎn)換器可對控制器與負(fù)載之間導(dǎo)線 (R_WIRE) 中的電壓降進(jìn)行補償

圖 7：R_WIER電壓降通過 LT3796 的 CSAMP 電路得以補償

圖 7 示出了 LT3796 的內(nèi)部 CSAMP 電路在操作中是怎樣起作用的。LT3796 的電壓環(huán)路將 FB1 引腳調(diào)節(jié)在 1.25V，這樣 I₃ 在 R5 = 12.4k 時將固定在 100μA。在圖 7 中，V_OUT 隨 I₂ 而改變 (V_OUT = 1.25V + I₂ • R4)。倘若 I₂• R4 的變化能夠抵消 I_LOAD·(R_SNS1 + R_WIRE) 的變化，那么 V_LOAD 將保持恒定。

請參閱圖 7，從 V_OUT 引出的分壓器 R1 / R3 利用在 R2 中流動的電流 I₁ 來設(shè)定 CSP 引腳上進(jìn)行調(diào)節(jié)的電壓。I₁被傳遞至 FB1 節(jié)點，并在此節(jié)點上與 I₂ 相加。

當(dāng)輸出電流增大時，I₁由于 R_SNS 兩端電壓降的增加而減小；必須利用電流 I₂匹配的增加來補償 I₁的減小，以保持向 FB2 輸送恒定的 100μA 電流。正是 I₂ 這種隨輸出電流的增加使 V_OUT 具有了正負(fù)載調(diào)節(jié)特性。而正負(fù)載調(diào)節(jié)恰好是補償電纜壓降所需要的。

圖 8 示出了相對于 I_LOAD 的實測 V_LOAD 和 V_OUT。顯然，當(dāng) I_LOAD 小于 1A 電流限值時，V_LOAD 與 I_LOAD 無關(guān)。當(dāng) I_LOAD 接近 1A 時，ISP 和 ISN 引腳上的電流環(huán)路開始干擾電壓環(huán)路，并相應(yīng)地下拉輸出電壓。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)示于圖 9。

圖 8：相對于 I_LOAD 的實測 V_LOAD 和 V_OUT

圖 9：圖 6 所示電路的負(fù)載階躍響應(yīng)

太陽能板電池 充電器

太陽能供電型設(shè)備所依賴的是一個變化無常的能量源，因此，這樣的設(shè)備如需始終保持可用狀態(tài)，就必須把取自太陽能電池的能量貯存在一個可再充電電池中。太陽能板具有一個最大功率點，這是一個相對固定的電壓，在該電壓下太陽能板可產(chǎn)生最大的功率。最大功率點跟蹤 (MPPT) 通常是通過限制轉(zhuǎn)換器的輸出電流 (以避免太陽能板電壓偏離該電壓值) 來實現(xiàn)的。LT3796 獨特的電流與電壓環(huán)路組合使其成為一款理想的 MPPT 電池充電器解決方案。

圖 10 示出了一個由 LT3796 驅(qū)動的太陽能板至密封式鉛酸 (SLA) 電池充電器。該充電器采用一種三級充電方案。第一級為恒定電流充電。當(dāng)電池充電至高達(dá) 14.35V 時，充電電流開始減小。最后，當(dāng)所需的電池充電電流降至 100mA 以下時，內(nèi)置的 C/10 充電終止功能將通過下拉~~/VMODE~~ 以停用充電電路，而充電器將進(jìn)入浮D充電級 (V_FLOAT = 13.5V) 以補償由于自放電所引起的損耗。

圖 10：太陽能板電池充電器最大功率點跟蹤 (MPPT)

充電電流利用 CSP 和 C_SOUT (CTRL) 引腳上的電阻器網(wǎng)絡(luò)來設(shè)置，具體如下：

V_CTRL = R6 • [(V_IN – V_INTVCC) / R4 – V_INTVCC/ R5]

對于 V_IN ≥ V_INTVCC (1 + R4 / R5)

V_CTRL = 0V

對于 V_IN V_INTVCC (1 + R4 / R5)

最大功率點跟蹤通過控制最大輸出充電電流來實現(xiàn)。當(dāng)太陽能板輸出端上的電壓向 28V (其對應(yīng)于 CTRL 引腳上的 1.1V和滿充電電流) 靠近時，充電電流減小，如圖 11 所示。于是，該伺服環(huán)路的作用是動態(tài)地把充電器系統(tǒng)的功率要求降低至太陽能板所能提供的最大功率，從而將太陽能板的電源利用率保持在接近 100% 的水平。

圖 11：I_CHARGE 與 V_IN 的關(guān)系曲線 (針對圖 10 中的太陽能充電器)

具輸入電流限值的超級電容器充電器

超級電容器正在諸多應(yīng)用中迅速地取代電池，包括用于無線工具的快速充電動力電池和用于微處理器的短期掉電后備系統(tǒng)等等。從長遠(yuǎn)來看，超級電容器的壽命更長、更環(huán)保、性能更高且價格更低，但是，給超級電容器充電需要精確控制充電電流和電壓限制，以避免發(fā)生系統(tǒng)范圍的損壞或超級電容器受損。

某些應(yīng)用要求限制輸入電流以防止輸入電源發(fā)生崩潰。圖 12 示出了一款具 28V 穩(wěn)定輸出電壓和 1.33V 輸入電流限值的 1.67A 超級電容器充電器。輸入電流由 R_SNS1 負(fù)責(zé)檢測，其被轉(zhuǎn)換為一個電壓信號并饋送至 FB2 引腳以提供輸入電流限制。

圖 12：一款具輸入電流限值的 28V/1.67A 超級電容器充電器

在每個充電周期中，超級電容器從 0V 充電。從 V_OUT 經(jīng)由 R3、C5、R5、R10、R4 以及 Q1 和 R_T 至 RT 引腳的反饋環(huán)路起頻率折返的作用，以使調(diào)節(jié)處于受控狀態(tài)。在圖 13 中，描繪了該充電器的輸入電流和輸出充電電流與輸出電壓的關(guān)系曲線。如圖所示，LT3796 可保持輸出電流調(diào)節(jié)作用，直到輸入電流接近 1.33A 的輸入電流限值為止。

圖 13：輸入/輸出電流與輸出電壓的關(guān)系曲線 (對于圖 12 中的 28V/1.67A 超級電容器充電器)

結(jié)論

LT3796 是一款通用的升壓型 DC/DC 控制器，其組合了準(zhǔn)確的電流和電壓調(diào)節(jié)環(huán)路。該器件實現(xiàn)了單個電流環(huán)路與兩個電壓環(huán)路的獨特組合，從而使其能夠輕松解決那些需要多個控制環(huán)路之應(yīng)用所帶來的問題，例如：LED 驅(qū)動器、電池或超級電容器充電器、MPPT 太陽能電池充電器、以及具有輸入和輸出電流限值的升壓或 SEPIC 型轉(zhuǎn)換器。另外，這款器件還包括多種故障保護(hù)及報告功能、一個頂端柵極驅(qū)動器和電流環(huán)路報告。

采用 28 引腳 TSSOP 封裝的 LT3796 所執(zhí)行的任務(wù)若換用其他替代方案將需要使用多個控制 IC 和系統(tǒng)才能應(yīng)付。該器件可造就一款簡單、低成本和小巧解決方案尺寸的可靠電源系統(tǒng)。