多通道BUCK恒流方案的應用

　　胡向峰（創(chuàng )維TV產(chǎn)品研究院，廣東?深圳?518108）

　　摘?要：本文介紹了BUCK電路的傳統架構，在此基礎上重點(diǎn)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(shí)際使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，并結合實(shí)際案例給出具體的解決措施，通過(guò)實(shí)驗及大批量的生產(chǎn)驗證表明，措施有效、穩定且可靠，對后續使用類(lèi)似的恒流架構方案具有現實(shí)的借鑒和參考意義。

　　關(guān)鍵詞：BUCK恒流；多通道；解決方案

　　0 引言

　　隨著(zhù)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(diǎn)和缺點(diǎn)，根據屏體規格要求，在設計時(shí)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(jiǎn)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(diǎn)分析了BUCK恒流方案在實(shí)際應用中遇到的主要問(wèn)題和設計容易忽略的細節問(wèn)題，并給出相應的解決措施和思路，對后續使用類(lèi)似BUCK恒流驅動(dòng)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

　　統的Buck變換器，也稱(chēng)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(kāi)關(guān)管（Q1）、電感（L0）、輸出濾波電容（C0）以及續流二極管（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BUCK電路特點(diǎn)，并結合背光恒流方案的設計要求，將原有BUCK電路進(jìn)行變形和派生，演化成上圖2所示的BUCK恒流驅動(dòng)電路。

　　工作原理如下：

　　當恒流IC的驅動(dòng)為高電平時(shí)， Q1閉合，電源Vdc通過(guò)模組燈條（負載）給電感L0充電，此時(shí)電感上的電流增大。MOS管開(kāi)通時(shí)，BUCK電路的開(kāi)通回路為：Vdc(+) →模組燈條（負載）→L0(電感)→Q1(MOS) →地。當恒流IC的驅動(dòng)為低電平時(shí)，Q1關(guān)斷，電感L0電流通過(guò)模組燈條放電，電感處于放電過(guò)程。MOS管關(guān)斷時(shí)，BUCK電路的關(guān)斷回路為：L0 + (電感)→ D1（續流二極管）→模組燈條（負載）→ L0 - (電感)。在此電路中，電感值的選擇是關(guān)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%，那么根據電感公式 E=L di/dt，考慮到MOS關(guān)斷期間，電感為L(cháng)ED燈條提供能量，E=V_LED=V_o,max=L di/dt，此時(shí)， di 為紋波電流，等于0.2× I _o,max ， dt 是關(guān)斷時(shí)間，則

　　2 多通道恒流BUCK在實(shí)際應用中的問(wèn)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(kāi)發(fā)和量產(chǎn)的過(guò)程中出現的問(wèn)題以及在實(shí)際中容易忽略的問(wèn)題，在此進(jìn)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(jìn)行說(shuō)明。

　　2.1 開(kāi)短路實(shí)驗及其他異常的保護

　　BUCK恒流電路因其簡(jiǎn)潔的電路形式、高效率及較低的成本等特點(diǎn)，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(shí)，也存在一些缺陷，如部分燈條開(kāi)路、MOS管短路實(shí)驗及續流電路故障等，都無(wú)法直接實(shí)現燈條保護或器件的安全，必須借助于恒流芯片的專(zhuān)用引腳來(lái)觸發(fā)輸入電源的保護，以OZ9906為例，當上述故障出現時(shí)，狀態(tài)引腳（STATUS）（其他恒流方案也用FAULT引腳來(lái)表示類(lèi)似的功能），通過(guò)該引腳的電平翻轉來(lái)發(fā)出保護信號，通過(guò)外加保護電路來(lái)觸發(fā)電源端的保護，使整個(gè)系統在恒流驅動(dòng)故障時(shí)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(shuō)明如下：

　　在恒流IC正常工作時(shí)，STATUS為高電平，即A點(diǎn)為高電平（A點(diǎn)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(diǎn)為低電平，以至于B點(diǎn)連接電源端的自鎖電路不動(dòng)作，電源正常工作，整個(gè)電視系統工作正常。

　　當部分燈條開(kāi)路、MOS管短路、續流二極管及該電路上的其他器件開(kāi)路及開(kāi)機PWM和ENA時(shí)序異常等其中一項異常情況發(fā)生時(shí)，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(guò)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?，二極管D1導通，B點(diǎn)為高電平，從而導致連接B點(diǎn)的電源端的自鎖電路觸發(fā)保護，使電源鎖死保護，整個(gè)電視系統處于保護狀態(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(wèn)題

　　在使用BUCK方案做多路恒流驅動(dòng)時(shí)，使用柱狀電感在PWM調光方式下，會(huì )產(chǎn)生較大的噪音問(wèn)題，且路數越多，疊加的噪音越大。

　　2.2.1 原因分析

　　因使用柱狀電感（圈數為170 Ts，感量為1.5mH），一般圈數較多，繞線(xiàn)層數較密，當恒流板調光方式采用PWM調光時(shí)，BUCK電路的電感電流工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導致電感線(xiàn)圈發(fā)出噪音，同時(shí)，因屏體燈條數為6路，6路BUCK電感噪音疊加，使得整個(gè)恒流板產(chǎn)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（圈數為110 Ts，感量為650μH）,將電感繞線(xiàn)沿環(huán)狀分布，減少繞線(xiàn)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(wèn)題

　　因BUCK恒流方案的STATUS腳在異常情況下會(huì )通過(guò)保護電路觸發(fā)電源端的保護，因此在設計時(shí)需特別注意當PWM（調光信號）和ENA（使能信號）時(shí)序異常時(shí)是否會(huì )觸發(fā)恒流IC的STATUS腳保護，并且參數的設置需和恒流方案的規格相匹配。一般情況下，很少關(guān)注PWM最小占空比情況下設計參數的最小值要求，導致整機匹配時(shí)出現異?！，F以某項目中使用的BUCK恒流（OZ9906）方案為例進(jìn)行說(shuō)明。

　　2.3.1 原因分析

　　當PWM出現最小占空比時(shí)，PWM頻率為100Hz，最小占空比為5%（甚至更?。?，也就是說(shuō)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(shí)TIMER腳（保護延遲時(shí)間設定）電壓不能升至門(mén)限值，才不會(huì )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(cháng)TIMER腳的上升時(shí)間，如圖（5）所示：

　　根據電容的充電原理：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(gè)周期內，TIMER腳的電壓不能達到保護點(diǎn)Vt（2.8Vmin）, 所以不會(huì )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(gè)周期內，TIMER腳的電壓就有可能達到保護點(diǎn)Vt（2.8V min），從而導致自鎖的發(fā)生。這一點(diǎn)也和實(shí)際機器的現象模擬吻合。

　　因此在設定TIMER腳的參數時(shí)，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，防止恒流芯片在實(shí)際應用時(shí)的誤觸發(fā)。

　　3 結論

　　本文介紹了開(kāi)關(guān)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(dòng)上派生的BUCK恒流拓撲架構的原理及工作過(guò)程進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹并深入分析了該BUCK恒流拓撲架構結合恒流芯片在實(shí)際應用中的遇到的典型問(wèn)題，給出具體原因和解決方案。大量的試驗和生產(chǎn)證明，本文所給出相應的解決措施和思路在實(shí)際應用中有效、穩定且可靠，對后續使用該方案或類(lèi)似的BUCK恒流驅動(dòng)方案具有借鑒和參考意義。

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第52頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。