高效、單片式同步降壓-升壓型LED驅動(dòng)器可提供高達1A的連續驅動(dòng)電流

　　引言

　　LTC3454是一款同步降壓-升壓型DC/DC轉換器，專(zhuān)為從單節鋰離子電池以高達1A的已調電流來(lái)驅動(dòng)單個(gè)高功率LED而設計。電壓調節通常是采用開(kāi)關(guān)轉換器來(lái)完成的，但是，LED需要恒定電流，以生成可預知的光輸出。LTC3454在其穩壓環(huán)路中采用了一個(gè)自動(dòng)置零跨導誤差放大器，以準確地控制LED電流。LED電流可采用兩個(gè)外部電阻器和兩個(gè)使能引腳來(lái)設定為4個(gè)電流值(包括停機)之一。在停機模式中，電流消耗為零。

　　鋰離子電池的寬VIN范圍(2.7V至4.2V)要求轉換器在LED正向電壓處于電池放電模式范圍之內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驅動(dòng)器可通過(guò)4個(gè)內部開(kāi)關(guān)來(lái)高效地執行升壓和降壓轉換。根據VIN和LED正向電壓的不同，該穩壓器可工作于同步降壓、同步升壓或降壓-升壓模式。這些模式之間的轉換是自動(dòng)和平穩的。

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

　　應用

　　圖1示出了LTC3454以“手電筒”和“閃光燈”模式來(lái)驅動(dòng)一個(gè)高功率LED時(shí)的情形。在該應用中，僅需要6個(gè)外部元件。在單節鋰離子電池的整個(gè)可用范圍內，可獲得高于90% 的效率(PLED/PIN)(見(jiàn)圖2)。

　　LTC3454具有兩個(gè)使能引腳，用于控制兩個(gè)電流設定放大器。當電流設定放大器通過(guò)其EN引腳來(lái)使能時(shí)，一個(gè)從某一ISET引腳連接至GND的電阻器將LED電流設置為：ILED = 3850·0.8/RISET。當兩個(gè)使能引腳均被確定時(shí)，LED凈電流等于各個(gè)編程電流之和。圖3示出了設置LED電流的原理圖。

　　基于自動(dòng)置零跨導放大器的電流調節

　　如圖4所示，LTC3454在其穩壓環(huán)路中采用了一個(gè)自動(dòng)置零跨導放大器。自動(dòng)置零放大器拓撲結構使其輸入端上的任何失調為零，并在非常低的共模輸入電壓電平條件下實(shí)現了一個(gè)準確的LED電流，從而獲得了高PLED/PIN效率。當LED電流為100mA 時(shí)，LED引腳上的調節電壓可低至100mV。

　　同步降壓-升壓型DC/DC轉換器

　　LTC3454能夠以高達1A的連續電流來(lái)驅動(dòng)一個(gè)LED。能夠被如此高的電流來(lái)驅動(dòng)的LED通常具有3.3V至3.6V的正向壓降。當由單節鋰離子電池(2.7V至4.2V)來(lái)供電時(shí)(就像在手持式電池供電型應用中那樣)，無(wú)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節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，純粹的升壓型轉換器將對一個(gè)高于所需數值的輸出電壓進(jìn)行調節，因而導致低效率。降壓-升壓型轉換器則可在整個(gè)鋰離子電池電壓范圍內高效地調節LED電流。

　　控制電壓VC決定了降壓-升壓型轉換器的工作區。內部電源開(kāi)關(guān)A、B、C和D的柵極驅動(dòng)器受控于邏輯功能塊(圖4)。一個(gè)獲專(zhuān)利權的柵極驅動(dòng)多路復用電路實(shí)現了降壓和升壓模式之間以及通過(guò)四個(gè)開(kāi)關(guān)區的平穩轉換。在降壓模式中，開(kāi)關(guān)A和B的柵極驅動(dòng)器占空比處于受控狀態(tài)，而開(kāi)關(guān)D連續導通。在升壓模式中，開(kāi)關(guān)C和D的占空比是受控的，而開(kāi)關(guān)A連續接通。

　　采用同步整流器轉換開(kāi)關(guān)B和D來(lái)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(kāi)關(guān)不能與主開(kāi)關(guān)同時(shí)接通。一個(gè)交叉傳導延遲阻止了這種情況的發(fā)生。LTC3454具有一個(gè)約30ns的先斷后通時(shí)間。在這段時(shí)間里，電流傳導路徑通過(guò)開(kāi)關(guān)的體二極管來(lái)形成。在正向電流經(jīng)由電感器從SW1引腳流至SW2引腳的場(chǎng)合，NMOS開(kāi)關(guān)B的體二極管在降壓模式中導通。SW1節點(diǎn)電壓被拉至比地電位低一個(gè)二極管壓降的數值。同樣地，在升壓模式中，PMOS開(kāi)關(guān)D的體二極管在開(kāi)關(guān)C和開(kāi)關(guān)D的轉換操作期間導通，不過(guò)，此時(shí)SW2節點(diǎn)電壓上升至比VOUT高一個(gè)二極管壓降的數值。主開(kāi)關(guān)A和C的體二極管在反向電流流動(dòng)期間導通。圖5示出了降壓-升壓模式中的開(kāi)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(guò)約3.4A，則使正向電流限制電路發(fā)生跳變，且開(kāi)關(guān)B和D在該周期的剩余時(shí)間里接通。當從開(kāi)關(guān)D流出并經(jīng)由電感器流至SW1節點(diǎn)的電流超過(guò)約250mA時(shí)，將使反向電流限制電路發(fā)生跳變，且開(kāi)關(guān)A和C在該周期的剩余時(shí)間里接通。

　　完善的設計：能夠承受LED開(kāi)路和短路條件

　　如果LED發(fā)生開(kāi)路故障，則穩壓環(huán)路將把VC驅動(dòng)至較高的電平，這可以起到提升輸出電壓的作用。一個(gè)安全放大器(即一個(gè)僅具有電流吸收能力的跨導放大器)負責控制穩壓電路，并防止VOUT失控。發(fā)生這種情況時(shí)的VOUT門(mén)限約為5V。

　　如果LED發(fā)生短路故障，則穩壓環(huán)路將繼續把輸出電流調節至其編程電流值。

　　結語(yǔ)

　　LTC3454是凌特公司LED驅動(dòng)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(gè)鋰離子電池電壓范圍內實(shí)現高效率。此外，當處于停機模式時(shí)，其電流消耗為零，這有助于延長(cháng)手持式電池供電型應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。