在恒流驱动 LED 应用方案中,常会遇到因 LED 损坏或其他原因导致系统开路,出现输出电容损坏或芯片损坏,或者先开路上电,再接负载,出现 LED 损坏,采样电阻损坏等现象。下面我们一起分析造成此类现象的根源并提供解决对策。
开路时的工作状态
以 XL3001 为例说明下 BUCK 拓扑开路时情况,XL3001 典型应用电路如图 1
XL3001 通过 CS 引脚检测采样电阻 RCS 上电压,从而控制输出电流。一旦 LED 开路,RCS 上没有电流流过,CS 引脚电压几乎为 0V,由于是开路状态,RCS 上电压不会达到基准值,芯片内置功率 MOS 管以最大占空比导通,从而导致输出端电压不断上升,经几毫秒后,输出电容电压便抬高至与输入电压相等。此时,如果输出电容耐压不足,将会造成输出电容损坏。
由 LED 的 V-I 特性曲线(图 2 为某 LED 的特性曲线)可以看出即使 LED 两端电压升高很小,电流也会增大很多。如果先空载上电(此时输出电容电压约为输入电压),再接上 LED,输出电容较高的电压加到 LED 上,瞬态会有很大的电流流过 LED 及 RCS,瞬间过大的能量容易导致 RCS 或 LED 烧毁(尤其是空载电压比实际输出电压高很多时)。
对于 BOOST 升压电路,情况往往会更严重,因为一旦开路,理论上输出电压可以达到无穷大,由于升压芯片均内置开路保护功能,所以输出端电压会上升至芯片允许的最大值,如 XL60XX 系列(XL6001 除外),输出端电压会达到 65V 左右。如果肖特基二极管、输出电容耐压不够,则会造成肖特基二极管与输出电容损坏,并导致芯片损坏;如果测试时先空载上电(输出电容与肖特基耐压足够),再连接 LED,则会造成 LED 灯损坏,RCS 采样电阻损坏。
开路保护的原理
通过上述分析,我们大致了解了恒流电路开路的危害性,通常可以通过添加开路保护电路来解决,下面讨论开路保护工作原理。
一种简单的办法就是使空载电压略高于实际的输出电压,这样既可以保证正常工作时不受影响,又可以确保开路后,不会造成异常问题发生。
对于既有恒压、又有恒流环路的芯片(如 XL4201),我们可以简单的使用 CS 引脚设置输出电流,使用 FB 引脚设置开路电压(一般开路电压设置为 1.2 倍的正常工作电压)即可。
对只有一个恒流环路的芯片(如 XL30XX 和 XL60XX 的恒流芯片),我们可以使用图 3 的方法进行开路保护(XL30XX 设置方法与之类似)。
我们以图 3 中的 XL6006 为例,简要说明工作原理。
开路保护电路由两个器件组成,DZ(稳压二极管)和 R1(限流电阻,通常选择 1K)。一旦 LED 开路,RCS 两端电压几乎为 0V,FB 检测的电压低于内部基准时,芯片以最大占空比工作,当输出电容电压升高至 DZ 的击穿电压后,DZ 导通,流经稳压管的电流在 R1 上产生的压降会被 FB 检测到,当 FB 检测到 R1 电压大于或等于基准电压后,芯片停止工作,输出电容电压不再继续提高,将输出端电压控制在设定值,从而实现开路保护。开路输出电压为 VDZ+VFB,由于 VFB 很小,可以认为开路电压为稳压二极管的电压,DZ 稳压管的耐压通常可取 1.2 倍输出电压(考虑到稳压二极管的 V-I 特性,可根据实际需求适当调整)。