高效、單片式同步降壓-升壓型LED驅(qū)動器可提供高達(dá)1A的連續(xù)驅(qū)動電流

　　引言

　　LTC3454是一款同步降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，專為從單節(jié)鋰離子電池以高達(dá)1A的已調(diào)電流來驅(qū)動單個高功率LED而設(shè)計。電壓調(diào)節(jié)通常是采用開關(guān)轉(zhuǎn)換器來完成的，但是，LED需要恒定電流，以生成可預(yù)知的光輸出。LTC3454在其穩(wěn)壓環(huán)路中采用了一個自動置零跨導(dǎo)誤差放大器，以準(zhǔn)確地控制LED電流。LED電流可采用兩個外部電阻器和兩個使能引腳來設(shè)定為4個電流值(包括停機(jī))之一。在停機(jī)模式中，電流消耗為零。

　　鋰離子電池的寬VIN范圍(2.7V至4.2V)要求轉(zhuǎn)換器在LED正向電壓處于電池放電模式范圍之內(nèi)的情況下兼具對輸入電壓進(jìn)行升壓和降壓操作的能力。LTC3454 LED驅(qū)動器可通過4個內(nèi)部開關(guān)來高效地執(zhí)行升壓和降壓轉(zhuǎn)換。根據(jù)VIN和LED正向電壓的不同，該穩(wěn)壓器可工作于同步降壓、同步升壓或降壓-升壓模式。這些模式之間的轉(zhuǎn)換是自動和平穩(wěn)的。

　　LTC3454具有一個1MHz的高固定工作頻率，從而減小了電感器的外形尺寸并簡化了輸出濾波。

　　應(yīng)用

　　圖1示出了LTC3454以“手電筒”和“閃光燈”模式來驅(qū)動一個高功率LED時的情形。在該應(yīng)用中，僅需要6個外部元件。在單節(jié)鋰離子電池的整個可用范圍內(nèi)，可獲得高于90% 的效率(PLED/PIN)(見圖2)。

　　LTC3454具有兩個使能引腳，用于控制兩個電流設(shè)定放大器。當(dāng)電流設(shè)定放大器通過其EN引腳來使能時，一個從某一ISET引腳連接至GND的電阻器將LED電流設(shè)置為：ILED = 3850·0.8/RISET。當(dāng)兩個使能引腳均被確定時，LED凈電流等于各個編程電流之和。圖3示出了設(shè)置LED電流的原理圖。

　　基于自動置零跨導(dǎo)放大器的電流調(diào)節(jié)

　　如圖4所示，LTC3454在其穩(wěn)壓環(huán)路中采用了一個自動置零跨導(dǎo)放大器。自動置零放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其輸入端上的任何失調(diào)為零，并在非常低的共模輸入電壓電平條件下實現(xiàn)了一個準(zhǔn)確的LED電流，從而獲得了高PLED/PIN效率。當(dāng)LED電流為100mA 時，LED引腳上的調(diào)節(jié)電壓可低至100mV。

　　同步降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器

　　LTC3454能夠以高達(dá)1A的連續(xù)電流來驅(qū)動一個LED。能夠被如此高的電流來驅(qū)動的LED通常具有3.3V至3.6V的正向壓降。當(dāng)由單節(jié)鋰離子電池(2.7V至4.2V)來供電時(就像在手持式電池供電型應(yīng)用中那樣)，無論是純降壓型解決方案還是純升壓型解決方案都不能高效地調(diào)節(jié)LED電流。純粹的降壓型解決方案將在較低的電池電壓條件下發(fā)生壓降，從而使LED電流低于編程值。在高電池電壓條件下，純粹的升壓型轉(zhuǎn)換器將對一個高于所需數(shù)值的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而導(dǎo)致低效率。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器則可在整個鋰離子電池電壓范圍內(nèi)高效地調(diào)節(jié)LED電流。

　　控制電壓VC決定了降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器的工作區(qū)。內(nèi)部電源開關(guān)A、B、C和D的柵極驅(qū)動器受控于邏輯功能塊(圖4)。一個獲專利權(quán)的柵極驅(qū)動多路復(fù)用電路實現(xiàn)了降壓和升壓模式之間以及通過四個開關(guān)區(qū)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。在降壓模式中，開關(guān)A和B的柵極驅(qū)動器占空比處于受控狀態(tài)，而開關(guān)D連續(xù)導(dǎo)通。在升壓模式中，開關(guān)C和D的占空比是受控的，而開關(guān)A連續(xù)接通。

　　采用同步整流器轉(zhuǎn)換開關(guān)B和D來代替箝位二極管有助于改善效率。該電路要求同步整流器開關(guān)不能與主開關(guān)同時接通。一個交叉?zhèn)鲗?dǎo)延遲阻止了這種情況的發(fā)生。LTC3454具有一個約30ns的先斷后通時間。在這段時間里，電流傳導(dǎo)路徑通過開關(guān)的體二極管來形成。在正向電流經(jīng)由電感器從SW1引腳流至SW2引腳的場合，NMOS開關(guān)B的體二極管在降壓模式中導(dǎo)通。SW1節(jié)點電壓被拉至比地電位低一個二極管壓降的數(shù)值。同樣地，在升壓模式中，PMOS開關(guān)D的體二極管在開關(guān)C和開關(guān)D的轉(zhuǎn)換操作期間導(dǎo)通，不過，此時SW2節(jié)點電壓上升至比VOUT高一個二極管壓降的數(shù)值。主開關(guān)A和C的體二極管在反向電流流動期間導(dǎo)通。圖5示出了降壓-升壓模式中的開關(guān)波形。

　　LTC3454具有正向和反向電流限制功能 -- 不需要外部檢測電阻器。如果峰值輸入電流超過約3.4A，則使正向電流限制電路發(fā)生跳變，且開關(guān)B和D在該周期的剩余時間里接通。當(dāng)從開關(guān)D流出并經(jīng)由電感器流至SW1節(jié)點的電流超過約250mA時，將使反向電流限制電路發(fā)生跳變，且開關(guān)A和C在該周期的剩余時間里接通。

　　完善的設(shè)計：能夠承受LED開路和短路條件

　　如果LED發(fā)生開路故障，則穩(wěn)壓環(huán)路將把VC驅(qū)動至較高的電平，這可以起到提升輸出電壓的作用。一個安全放大器(即一個僅具有電流吸收能力的跨導(dǎo)放大器)負(fù)責(zé)控制穩(wěn)壓電路，并防止VOUT失控。發(fā)生這種情況時的VOUT門限約為5V。

　　如果LED發(fā)生短路故障，則穩(wěn)壓環(huán)路將繼續(xù)把輸出電流調(diào)節(jié)至其編程電流值。

　　結(jié)語

　　LTC3454是凌特公司LED驅(qū)動器系列的一款新增器件。只需采用極少的外部元件即可在整個鋰離子電池電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率。此外，當(dāng)處于停機(jī)模式時，其電流消耗為零，這有助于延長手持式電池供電型應(yīng)用中的電池使用壽命。LTC3454采用扁平、小占板面積3mm x 3mm DFN封裝。