非同步、升壓、電源轉換拓撲經常用於發光二極體(LED)驅動器等應用。在這些應用中，輸入電壓(VIN)不足以正向偏置一組串聯/並聯LED燈串。這個電感開關拓撲產生了實現LED電流調節所必要的恆流輸出電壓，並且通常用於液晶顯示器(LCD)背光應用中。例如在遠離駕駛員的汽車內部和外部照明等LED矩陣應用中，一旦發生輸出對地短路的危險，就會產生災難性的後果。電子斷路器能夠限制電流並運行保護電路，防止這些災難性的故障。
如圖1所示，升壓轉換器的輸入透過升壓電感器(L1)和升壓二極體(D1)物理連接至其輸出端。因此，輸出上的短路情況會使升壓電感器飽和，其造成的電流尖峰足以損壞升壓二極體。而更糟糕的是，此短路情況也會干擾到所有連接到輸入端的裝置，其中包括脈衝寬度調變(PWM)控制器。很明顯地，在使用這種拓撲時，需要某種類型的電路保護來為遠端LED供電。接下來將介紹一個多用途、低成本電路，此電路可被優化為保護升壓轉換器，並防止輸入端出現短路負載情況。此外，將透過一個類比電路來驗證所需的響應。
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| 圖1 基於非隔離式升壓拓撲的LED驅動器電路 |
善用電流限制器/電子斷路器
分流監控元件(CSM)是一種高精確度、高增益差分電流感測放大器，經常被用來監視輸入和輸出電流。圖2顯示的是其典型配置，這個特定裝置整合了一個漏極開路比較器；此比較器可被設定為在預先設置的線路電流上跳脫(Trip)、栓鎖(Latch)和重置(Reset)。
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| 圖2 增加了保護功能的分流監控元件 |
此比較器的輸出可被用來控制一個可以在幾毫秒(ms)內中斷負載短路的外部金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)開關。除了在輸出上出現故障情況時中斷輸入電流外，類比輸出還可以解決開關穩壓器中所謂的「負輸入阻抗」問題，阻止輸入電流隨輸入電壓的減少而增加。
透過將輸入電流與輸出電流以邏輯「OR」的配置方式相連接，可實現對輸入的鉗位(Clamp)。如圖3中所示，其目的是為了產生一個驅動PWM控制器的複合回饋訊號。然後，CSM使輸出電流回饋無效，並且強制LED電流在輸入電壓下降到一個預設電位以下時減少，進而限制輸入電流。
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| 圖3 輸入限流器依賴感測輸入和輸出電流 |
開始電路操作
圖4顯示一個具有輸出短路保護功能之升壓轉換器LED驅動器的電路實現方式。此電路中Osram Opto Semiconductors 生產的Ostar LED是一款針對汽車前燈應用的裝置，實際上是位於一塊絕緣金屬基板上的單體(Monolithic)、5晶粒(Die)LED。此裝置具有額定值為2安培(A)的突波電流(少於10微秒)，以及電流為1安培時18伏特(V)的典型正向電壓。
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| 圖4 具有短路負載故障保護功能的LED升壓驅動器電路 |
直流對直流(DC-DC)升壓轉換器感測回饋接腳上的正向LED電流，並且充分調整輸出電壓，以調節LED電流。LED電流由感測電阻器(RSNS)設定，其值與PWM轉換器的內部能隙基準成比例(RSNS=VREF/ILED)。使用一個具有低基準電壓的升壓轉換器能夠更輕鬆地實現較高的轉換器效率，並減少組件熱應力。
雖然使用壽命可以長達50,000小時以上，但LED對於溫度和電過應力十分敏感，而且它們的動態阻抗特性經常會給開關穩壓器元件的選擇和控制迴路的設計提出難題。
針對這些選擇和設計難題，半導體商提出了解決方法，並開發出圖4中顯示的電路模擬來分析LED驅動器/保護電路的複雜程度，並在各種不同的工作條件下預測電路運行方式。
為這項分析所選擇的PWM控制器具有一個0.26伏特的回饋基準電壓，所以LED電流為1安培時，LED感測電阻器的功率耗散只有0.26瓦(W)。由於CSM具有值為50的增益，就需要一個小很多的感測電阻器來感測輸出電流，當流經CSM分流電阻器的電流超過CSM感測電阻器設定的臨界值時，CSM增益和比較器臨界值(R, R)，PMOS導通電晶體中斷負載電流，進而發揮電子斷路器的作用。
可透過將RESET接腳切換為低電位來重置栓輸出。然而，考慮到這篇文章的目的，RESET已經被禁用，以檢驗回應速度。回應速度和峰值電流取決於很多變數，這些變數包括元件選擇、CSM頻寬、雜訊濾波器、輸出電容、場效應電晶體(FET)選擇、和輸出升壓電感器，這些因素合在一起會影響轉換器的輸出阻抗。為準確評估運行方式，這裡曾以50奈秒(ns)的最大時間步進和設定為0.001%的直流相對容忍運行模擬。此分析在TINA-TI(一款免費的Berkeley SPICE 3f5相容模擬器)中運行，工作頻率300kHz的升壓轉換器的5毫秒模擬在僅僅30秒以內即可啟動至穩定狀態。
決定將CSM放置在何處
CSM可被放置在升壓轉換器的輸入或輸出上，在這個模擬中，CSM被放置在輸出上，其透過與輸出PMOS導通元件(T5)相並聯的10毫歐姆(mΩ)分流電阻器來感測電流。根據CSM的放置位置，此電路可以防止內部和/或外部短路情況。然而，CSM必須被設計成在所有工作條件下均具有足夠共模範圍(Common Mode Range, CMR)。
如果放置在升壓轉換器的輸入上，可選擇具有較低CMR的CSM。然而，將CSM放置在輸出上可以避開升壓電感器，並且有助於加快對短路情況的反應時間。無論將CSM放置在何處，都應該使用一個RC濾波器來衰減那些會由於分流電阻器的突然di/dt事件而出現的雜訊和諧振振鈴。一個小型100歐姆(Ω)電阻器和差分電容器可被置入比估計的分流器Lp/R時間常量大三倍的時間常量，其中Lp是寄生並聯電感。由於CSM的增益誤差和頻寬受到雜訊濾波器的負面影響，保持濾波器的低值很重要。
分析模擬結果
圖5展示了模擬結果，Vg是到PMOS FET的控制電壓，並在正常情況下被設定為-6伏特。須要根據FET的臨界值電壓、閘極電荷與飽和特性進行優化。最大限度地減小閘極上的電壓可以改進反應時間，並且應該選擇上拉(Pull-up)電阻器來盡可能地縮短中斷週期。須要注意的是，輸入電流和閘極電壓用高閘極電荷(d)，和低閘極電荷(c)MOSFET顯示。
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| 圖5 標準有線和無線網路將在實體大樓系統與大樓管理設備之間承載傳遞相 |
明顯地，較低閘極電荷裝置最大限度地減少了輸入上的可見電流。選擇MOSFET和閘極驅動電路來實現最佳回應是十分重要的設計考慮，這是因為這種設計限制了di/dt，並且滿足MOSFET安全運行要求。這些複雜的設計考量若分析起來可不那麼容易，因此最好在工作台上對它們進行模擬和確認。
在諸如太克(Tektronix)產品的某些示波器上提供專門的測試軟體來計算相對於MOSFET安全運行曲線的開關功率損耗。本次模擬建議回應持續時間少於2微秒(μs)，這在電流被中斷前可獲得少於6安培的輸入電流。中斷FET的選擇將影響峰值輸入和輸出電流。驅動高側(High Side)NMOS裝置的高效能、可熱插拔控制器是另外一個選擇，並且能夠實現少於250奈秒的中斷時間。這些裝置針對背板熱插拔卡插入進行優化，但可以提供一個效能比這裡展示的解決方案更高的解決方案。
避免故障發生
此電路展示並模仿了中斷情景，也在多變的負載條件下限制升壓轉換器LED驅動器的輸入/輸出電流。該電路經過優化可以適合於汽車LED前燈驅動器應用。這裡證明了實現最佳電路回應時間需要仔細的分析和元件選擇。將這些靈敏性整合到一個綜合性時域電路類比中有助於理解不同工作條件和元件選擇情況下的電路運行狀態。
專業化可熱插拔控制器具有專門的特性和優化的效能，在設計時應該將其納入考量。在任何一種情況下，當執行一個電路來中斷或限制電源時有必要進行仔細分析。為LED驅動器設計一個穩健耐用的保護電路是一項複雜的工作，而諸如TINA-TI、SPICE和WEBENCH等軟體工具能夠在加快分析和設計方面提供幫助。
(本文作者任職於德州儀器)