宽输入电压范围的高密度LED驱动芯片设计

LED驱动芯片简介

随着汽车电子行业的快速发展，具有宽输入电压范围的高密度LED驱动芯片，被广泛应用于汽车类照明，包括车外前部和尾部照明、内部照明和显示屏背光照明。

LED驱动芯片按照调光方式可以分为模拟调光和PWM调光。模拟调光相对简单，PWM 调光相对复杂，但线性调光范围比模拟调光更大。LED驱动芯片作为一类电源管理芯片，其拓扑主要有Buck 和Boost。Buck电路的输出电流连续使其输出电流的纹波更小，要求的输出电容更小，更有利于实现电路的高功率密度。

图1 输出电流 Boost vs Buck

LED驱动芯片常见的控制模式有电流模式 (CM)，COFT（controlled OFF-time）模式， COFT&PCM（peak current mode）模式。TI经典的LED驱动LM3409，TPS92515就是采用COFT控制。相比于电流模式控制，COFT 控制模式不需要环路补偿，有利于提高功率密度，同时具有更快的动态响应。

区别于其他控制模式，COFT控制模式的芯片具有单独的COFF Pin 脚用于关断时间的设置。本文基于典型的COFT控制的Buck LED驱动芯片，介绍对COFF的外部电路的配置和注意事项。

COFF的基本配置及注意事项

                COFT模式的控制原理是当电感电流达到设置的关断电流大小时，上管关断，下管导通。此时关断时间恒定为tOFF。当关断时间达到tOFF后，上管再次导通。上管关闭后，其将保持恒定时间 (tOFF) 关闭。tOFF 由电路外围的电容 (COFF) 和输出电压 (Vo) 来设定。如图 2 所示。 由于 ILED 受到严格的调节，在变化广泛的输入电压和温度下， Vo 将保持几乎恒定，从而产生几乎恒定的 tOFF，可以利用Vo 来计算tOFF。

图2.  关断时间控制电路和 tOFF计算公式

需要注意的是，当选择的调光方法或者调光电路要求输出短路时，此时会发生电路无法正常启动的现象。此时电感电流纹波变大，输出电压变得非常低，远远小于设定的电压。当这种故障发生时，电感电流将以最大的关断时间工作。通常芯片内部设置的最大关断时间达到200us~300us。此时电感电流和输出电压貌似进入了一种打嗝模式，无法正常输出。图3所示TPS92515-Q1 在负载采用分流电阻器的时候，电感电流和输出电压的异常波形。

图4所示列举了三种可能引起以上故障的电路。当调光方式采用Shunt FET，负载选择分流电阻器，负载是LED开关矩阵电路的时候，都可能会使输出电压短路，而导致无法正常启动。

图3  TPS92515-Q1电感电流和输出电压（ 电阻器负载输出短路故障）

图4.  可能引起输出短路的电路

为了避免这种情况，即使输出短路的时候，仍需要一路额外的电压来给COFF进行充电。 VCC/VDD可以用作的并行电源为 COFF 电容充电，保持稳定的关断时间，并保持恒定的波纹。客户在设计电路的时候可以在VCC/VDD到COFF之间预留一个电阻ROFF2，如图5所示，有利于后期调试工作。与此同时，TI芯片的数据手册通常会根据芯片内部的电路给出具体的ROFF2的计算公式来方便客户对电阻的选择。

图5 SHUNT FET 外接ROFF2的改进电路

以图3 TPS92515-Q1的短路输出故障为例，采用图5的改进方法，在VCC和COFF之间加一个ROFF2 对COFF进行充电。

选择 ROFF2 分为两步，第一步是计算输出采用分流电阻器时所需的关闭时间 (tOFF-Shunt)， 其中VSHUNT 是负载采用分流电阻时的输出电压。

第二步是用tOFF-Shunt 来计算ROFF2,  由VCC经ROFF2对COFF充电，计算公式如下。

根据计算选择合适的ROFF2值(50k Ohm)，在图3的故障情况下，连接ROFF2 在VCC和COFF之间，此时电路输出正常。同时需要注意，ROFF2应该比 ROFF1大得多，如果太低， TPS92515-Q1 将会遇到最小的接通时间问题，这将导致电流增加，并可能损坏芯片设备。

图6    TPS92515-Q1  电感电流和输出电压（加ROFF2 后正常）