多通道BUCK恒流方案的應用

　　胡向峰（創(chuàng)維TV產品研究院，廣東?深圳?518108）

　　摘?要：本文介紹了BUCK電路的傳統(tǒng)架構，在此基礎上重點分析了應用于背光恒流方案上的BUCK拓撲派生架構，以及應用此派生架構在實際使用過程中遇到的問題，并結合實際案例給出具體的解決措施，通過實驗及大批量的生產驗證表明，措施有效、穩(wěn)定且可靠，對后續(xù)使用類似的恒流架構方案具有現(xiàn)實的借鑒和參考意義。

　　關鍵詞：BUCK恒流；多通道；解決方案

　　0 引言

　　隨著LED電視背光模組的不斷發(fā)展，目前與背光模組相匹配的恒流拓撲有3種：

　　1）BOOST升壓方式；

　　2）BUCK降壓方式；

　　3）電源輸出“直驅式”。其中每一種恒流拓撲均有其優(yōu)點和缺點，根據(jù)屏體規(guī)格要求，在設計時需選擇合適的拓撲架構與之匹配，其中BUCK恒流拓撲架構因其架構簡單、電路效率高，設計成本低而被廣泛應用。

　　本文介紹了BUCK恒流的拓撲架構，在此基礎上重點分析了BUCK恒流方案在實際應用中遇到的主要問題和設計容易忽略的細節(jié)問題，并給出相應的解決措施和思路，對后續(xù)使用類似BUCK恒流驅動方案有十分重要的借鑒和指導意義。

　　1 BUCK拓撲架構電路及工作原理

　　統(tǒng)的Buck變換器，也稱降壓式變換器，是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。Buck變換器也有CCM和DCM兩種工作方式。主要由開關管（Q1）、電感（L0）、輸出濾波電容（C0）以及續(xù)流二極管（D1）組成，從電路可以看出，電感L0和電容C0組成低通濾波器。

　　根據(jù)BUCK電路特點，并結合背光恒流方案的設計要求，將原有BUCK電路進行變形和派生，演化成上圖2所示的BUCK恒流驅動電路。

　　工作原理如下：

　　當恒流IC的驅動為高電平時， Q1閉合，電源Vdc通過模組燈條（負載）給電感L0充電，此時電感上的電流增大。MOS管開通時，BUCK電路的開通回路為：Vdc(+) →模組燈條（負載）→L0(電感)→Q1(MOS) →地。當恒流IC的驅動為低電平時，Q1關斷，電感L0電流通過模組燈條放電，電感處于放電過程。MOS管關斷時，BUCK電路的關斷回路為：L0 + (電感)→ D1（續(xù)流二極管）→模組燈條（負載）→ L0 - (電感)。在此電路中，電感值的選擇是關鍵，設電感值的選擇取決于LED允許的電流等級。假設LED允許的紋波為±10%，那么根據(jù)電感公式 E=L di/dt，考慮到MOS關斷期間，電感為LED燈條提供能量，E=V_LED=V_o,max=L di/dt，此時， di 為紋波電流，等于0.2× I _o,max ， dt 是關斷時間，則

　　2 多通道恒流BUCK在實際應用中的問題及解決方案

　　由于該恒流采用BUCK派生的電源拓撲，因BUCK電路本身的一些限制，針對在開發(fā)和量產的過程中出現(xiàn)的問題以及在實際中容易忽略的問題，在此進行原因分析，并給出解決的方案。以下的分析主要基于OZ9906（6通道）的恒流方案為例進行說明。

　　2.1 開短路實驗及其他異常的保護

　　BUCK恒流電路因其簡潔的電路形式、高效率及較低的成本等特點，在LED背光電源中被廣泛應用。但是，BUCK恒流電路因自身的電路限制，和恒流芯片方案配合使用時，也存在一些缺陷，如部分燈條開路、MOS管短路實驗及續(xù)流電路故障等，都無法直接實現(xiàn)燈條保護或器件的安全，必須借助于恒流芯片的專用引腳來觸發(fā)輸入電源的保護，以OZ9906為例，當上述故障出現(xiàn)時，狀態(tài)引腳（STATUS）（其他恒流方案也用FAULT引腳來表示類似的功能），通過該引腳的電平翻轉來發(fā)出保護信號，通過外加保護電路來觸發(fā)電源端的保護，使整個系統(tǒng)在恒流驅動故障時處于安全的保護模式。如下圖（3）即為和OZ9906匹配的一種保護電路。

　　工作原理說明如下：

　　在恒流IC正常工作時，STATUS為高電平，即A點為高電平（A點和STATUS引腳連接），三極管Q1導通，三極管Q1的c極為低電平，那么該電路的B點為低電平，以至于B點連接電源端的自鎖電路不動作，電源正常工作，整個電視系統(tǒng)工作正常。

　　當部分燈條開路、MOS管短路、續(xù)流二極管及該電路上的其他器件開路及開機PWM和ENA時序異常等其中一項異常情況發(fā)生時，STATUS電平瞬間由高電平翻轉為低電平，三極管Q1截至，因三極管Q1的c極通過電阻連接至恒流IC內部的參考電壓，導致三極管c極變?yōu)楦唠娖剑O管D1導通，B點為高電平，從而導致連接B點的電源端的自鎖電路觸發(fā)保護，使電源鎖死保護，整個電視系統(tǒng)處于保護狀態(tài)，從而避免燈條、器件及其他異常發(fā)生。

　　2.2 PWM調光方式電感的噪音問題

　　在使用BUCK方案做多路恒流驅動時，使用柱狀電感在PWM調光方式下，會產生較大的噪音問題，且路數(shù)越多，疊加的噪音越大。

　　2.2.1 原因分析

　　因使用柱狀電感（圈數(shù)為170 Ts，感量為1.5mH），一般圈數(shù)較多，繞線層數(shù)較密，當恒流板調光方式采用PWM調光時，BUCK電路的電感電流工作在開關狀態(tài)，導致電感線圈發(fā)出噪音，同時，因屏體燈條數(shù)為6路，6路BUCK電感噪音疊加，使得整個恒流板產生較大的噪音。

　　2.2.2 解決措施

　　將BUCK電感由柱狀電感改為環(huán)狀電感（圈數(shù)為110 Ts，感量為650μH）,將電感繞線沿環(huán)狀分布，減少繞線的疊加，在PWM調光方式下，可基本消除單路BUCK電感噪音，從而降低6路電感的噪音疊加。

　　2.3 PWM調光方式最小占空比下的保護問題

　　因BUCK恒流方案的STATUS腳在異常情況下會通過保護電路觸發(fā)電源端的保護，因此在設計時需特別注意當PWM（調光信號）和ENA（使能信號）時序異常時是否會觸發(fā)恒流IC的STATUS腳保護，并且參數(shù)的設置需和恒流方案的規(guī)格相匹配。一般情況下，很少關注PWM最小占空比情況下設計參數(shù)的最小值要求，導致整機匹配時出現(xiàn)異?！，F(xiàn)以某項目中使用的BUCK恒流（OZ9906）方案為例進行說明。

　　2.3.1 原因分析

　　當PWM出現(xiàn)最小占空比時，PWM頻率為100Hz，最小占空比為5%（甚至更?。?，也就是說Toff=10ms×(1-5%)=9.5 ms，Ton=0.5 ms，即在0.5ms內需保持使能腳為高電平，同時TIMER腳（保護延遲時間設定）電壓不能升至門限值，才不會使STATUS狀態(tài)腳電平翻轉，觸發(fā)自鎖電路工作，從而導致電源端自鎖發(fā)生。如下圖（4）所示：

　　2.3.2 解決措施

　　延長TIMER腳的上升時間，如圖（5）所示：

　　根據(jù)電容的充電原理：Vt=V0+（Vu-V0）×[1-exp(-t/RC)]

　　設V0=0V，Vu=5V

　　因Vt=2.8V（min），R=100k，C427=470nF,

　　帶入(3)式 2.8-0.7=5[1-exp(-t/100k×470nF)

　　則t=25.6m

　　因Tpwm=10 ms，t>Tpwm，所以在PWM的一個周期內，TIMER腳的電壓不能達到保護點Vt（2.8Vmin）, 所以不會觸發(fā)STATUS狀態(tài)腳電平翻轉，從而觸發(fā)自鎖電路工作，導致電源端的自鎖發(fā)生。

　　若C427=100 nF,帶入上式，計算可得：T=0.545 ms

　　因Tpwm=10 ms，Tpwm on=0.5 ms，因此在PWM一個周期內，TIMER腳的電壓就有可能達到保護點Vt（2.8V min），從而導致自鎖的發(fā)生。這一點也和實際機器的現(xiàn)象模擬吻合。

　　因此在設定TIMER腳的參數(shù)時，需考慮PWM的頻率以及機芯的最小占空比，只有綜合考慮以上因素后，才能準確設置TIMER腳的參數(shù)，防止恒流芯片在實際應用時的誤觸發(fā)。

　　3 結論

　　本文介紹了開關電源中BUCK拓撲架構的基本原理，并對應用于目前LED TV電源背光驅動上派生的BUCK恒流拓撲架構的原理及工作過程進行分析，重點介紹并深入分析了該BUCK恒流拓撲架構結合恒流芯片在實際應用中的遇到的典型問題，給出具體原因和解決方案。大量的試驗和生產證明，本文所給出相應的解決措施和思路在實際應用中有效、穩(wěn)定且可靠，對后續(xù)使用該方案或類似的BUCK恒流驅動方案具有借鑒和參考意義。

　　參考文獻

　　[1] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計.北京:電子工業(yè)出版社.

　　[2] Abraham I.Pressman , Keith Billings,Taylor Morey著.開關電源設計.[M]第3版.北京:電子工業(yè)出版社.

　　[3] Steve Winder 著，謝運祥，王曉剛譯.LED驅動電路設計.北京:人民郵電出版社.

　　[4] 楊恒著.開關電源典型設計實例精選.[M].北京:中國電力出版社.

　　[5] 康華光.電子技術基礎.北京:高等教育出版社.

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第12期第52頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。