高效、单片式同步降压-升压型LED驱动器可提供高达1A的连续驱动电流

引言

LTC3454是一款同步降压-升压型DC/DC转换器，专为从单节锂离子电池以高达1A的已调电流来驱动单个高功率LED而设计。电压调节通常是采用开关转换器来完成的，但是，LED需要恒定电流，以生成可预知的光输出。LTC3454在其稳压环路中采用了一个自动置零跨导误差放大器，以准确地控制LED电流。LED电流可采用两个外部电阻器和两个使能引脚来设定为4个电流值(包括停机)之一。在停机模式中，电流消耗为零。

锂离子电池的宽VIN范围(2.7V至4.2V)要求转换器在LED正向电压处于电池放电模式范围之内的情况下兼具对输入电压进行升压和降压操作的能力。LTC3454 LED驱动器可通过4个内部开关来高效地执行升压和降压转换。根据VIN和LED正向电压的不同，该稳压器可工作于同步降压、同步升压或降压-升压模式。这些模式之间的转换是自动和平稳的。

LTC3454具有一个1MHz的高固定工作频率，从而减小了电感器的外形尺寸并简化了输出滤波。

应用

图1示出了LTC3454以“手电筒”和“闪光灯”模式来驱动一个高功率LED时的情形。在该应用中，仅需要6个外部元件。在单节锂离子电池的整个可用范围内，可获得高于90% 的效率(PLED/PIN)(见图2)。

图1 LTC3454的一种典型应用


图2 图1所示电路的效率

图3 两个电流设定放大器为用户提供了选择一个以上非零电流值的灵活性

图4 一个自动置零跨导放大器维持了环路稳压作用

LTC3454具有两个使能引脚，用于控制两个电流设定放大器。当电流设定放大器通过其EN引脚来使能时，一个从某一ISET引脚连接至GND的电阻器将LED电流设置为：ILED = 3850·0.8/RISET。当两个使能引脚均被确定时，LED净电流等于各个编程电流之和。图3示出了设置LED电流的原理图。

基于自动置零跨导放大器的电流调节

如图4所示，LTC3454在其稳压环路中采用了一个自动置零跨导放大器。自动置零放大器拓扑结构使其输入端上的任何失调为零，并在非常低的共模输入电压电平条件下实现了一个准确的LED电流，从而获得了高PLED/PIN效率。当LED电流为100mA 时，LED引脚上的调节电压可低至100mV。

同步降压-升压型DC/DC转换器

LTC3454能够以高达1A的连续电流来驱动一个LED。能够被如此高的电流来驱动的LED通常具有3.3V至3.6V的正向压降。当由单节锂离子电池(2.7V至4.2V)来供电时(就像在手持式电池供电型应用中那样)，无论是纯降压型解决方案还是纯升压型解决方案都不能高效地调节LED电流。纯粹的降压型解决方案将在较低的电池电压条件下发生压降，从而使LED电流低于编程值。在高电池电压条件下，纯粹的升压型转换器将对一个高于所需数值的输出电压进行调节，因而导致低效率。降压-升压型转换器则可在整个锂离子电池电压范围内高效地调节LED电流。

控制电压VC决定了降压-升压型转换器的工作区。内部电源开关A、B、C和D的栅极驱动器受控于逻辑功能块(图4)。一个获专利权的栅极驱动多路复用电路实现了降压和升压模式之间以及通过四个开关区的平稳转换。在降压模式中，开关A和B的栅极驱动器占空比处于受控状态，而开关D连续导通。在升压模式中，开关C和D的占空比是受控的，而开关A连续接通。

采用同步整流器转换开关B和D来代替箝位二极管有助于改善效率。该电路要求同步整流器开关不能与主开关同时接通。一个交叉传导延迟阻止了这种情况的发生。LTC3454具有一个约30ns的先断后通时间。在这段时间里，电流传导路径通过开关的体二极管来形成。在正向电流经由电感器从SW1引脚流至SW2引脚的场合，NMOS开关B的体二极管在降压模式中导通。SW1节点电压被拉至比地电位低一个二极管压降的数值。同样地，在升压模式中，PMOS开关D的体二极管在开关C和开关D的转换操作期间导通，不过，此时SW2节点电压上升至比VOUT高一个二极管压降的数值。主开关A和C的体二极管在反向电流流动期间导通。图5示出了降压-升压模式中的开关波形。

LTC3454具有正向和反向电流限制功能 -- 不需要外部检测电阻器。如果峰值输入电流超过约3.4A，则使正向电流限制电路发生跳变，且开关B和D在该周期的剩余时间里接通。当从开关D流出并经由电感器流至SW1节点的电流超过约250mA时，将使反向电流限制电路发生跳变，且开关A和C在该周期的剩余时间里接通。

完善的设计：能够承受LED开路和短路条件

如果LED发生开路故障，则稳压环路将把VC驱动至较高的电平，这可以起到提升输出电压的作用。一个安全放大器(即一个仅具有电流吸收能力的跨导放大器)负责控制稳压电路，并防止VOUT失控。发生这种情况时的VOUT门限约为5V。

图5 降压-升压模式中的开关波形

如果LED发生短路故障，则稳压环路将继续把输出电流调节至其编程电流值。

结语

LTC3454是凌特公司LED驱动器系列的一款新增器件。只需采用极少的外部元件即可在整个锂离子电池电压范围内实现高效率。此外，当处于停机模式时，其电流消耗为零，这有助于延长手持式电池供电型应用中的电池使用寿命。LTC3454采用扁平、小占板面积3mm x 3mm DFN封装。■