在一些應用中，比如汽車LED照明，由于LED的位置通常離司機較遠，從而需要增加短路保護。

非同步、升壓、電源轉換拓撲通常用于LED驅動器中，在這些情況中，輸入電壓不足以對一組串聯/并聯LED燈串進行正向偏置。這種電感式開關拓撲生成了實現LED電流調節所需的恒流制輸出電壓，并且通常用于LCD背光應用。在LED矩陣應用中，例如汽車內部和外部照明，由于遠離司機，輸出對地短路的可能性是真實的，甚至可能是災難性的。保護電路能限制電流并作為電子斷路器，可以防止災難性的故障。

如圖1所示，升壓轉換器的輸入通過升壓電感器(L1)和升壓二極管(D1)物理連接其輸出。因此，輸出端的短路會使升壓電感器飽和，造成電流尖峰，足以損壞升壓二極管。更糟糕的是，短路還可以破壞與輸入相關的所有連接，包括脈寬調制(PWM)控制器。顯然，在使用這種拓撲來為遠程LED供電時，需要某種形式的電路保護。我們接下來要考慮一種通用且低成本的電路，可以優化保護升壓轉換器和防止輸入端出現短路負載的情況。此外，我們將介紹一個電路模擬，驗證所需的響應。

圖1. 基于非隔離升壓拓撲的LED驅動電路

限流器和電子斷路器

電流分流監視器(CSM)是一種高精度、高增益差分電流檢測放大器，經常用于監視輸入和輸出電流。 圖2展示的是其典型的配置。這個特定器件集成了一個開漏比較器，可以將其編程，在預設定的線路電流上跳閘、鎖存和復位。

圖2. 電流分流監視器組件增加了保護

此比較器的輸出可用于控制外部MOSFET開關，可以在幾微秒內中斷負載短路。 除了在輸出故障情況下中斷輸入電流之外，模擬輸出可用于解決開關穩壓器上所謂的“負輸入阻抗”。輸入電壓降低時，“負輸入阻抗”將導致輸入電流增加。

通過將輸入電流與輸出電流以合乎邏輯的配置相連，可實現對輸入的控制。其目的是生成復合反饋信號，驅動PWM控制器，如圖3中所示。隨后，CSM覆蓋輸出電流反饋，并迫使LED電流隨著輸入電壓的下降降到一個預設電平，從而限制輸入電流。

圖3. 輸入限流器依賴于感測輸入和輸出電流

電路操作

圖4顯示了帶輸出短路保護功能的升壓轉換器LED驅動器的電路實現方式。電路中所示的歐司朗光電半導體Ostar LED是針對汽車前照燈應用的器件，實際上是絕緣金屬基板上的一個完整的五芯片LED。該器件的浪涌電流額定值為2A，小于10μs，以及1A時典型的的18V正向電壓。LED電流由檢測電阻(RSNS)設定，它的值與PWM轉換器的內部帶隙基準成比例 (RSNS = VREF/ILED)。使用具有低參考電壓的升壓轉換器有助于實現更高的轉換器效率，并降低組件熱應力。

圖4. 具有短路故障保護的LED升壓驅動電路。

雖然LED本身能夠達到超過50,000小時的使用壽命，但LED對溫度和電應力很敏感，而且LED的其動態阻抗特性往往會給調節器元件的選擇和控制回路的設計提出挑戰。因此，開發了圖4中的仿真電路，以分析LED驅動器/保護電路的復雜性，并預測在不同操作條件下的電路特性。

為此分析所選的PWM控制器具有0.26V的反饋參考電壓。因此，在1A的LED電流下，只有0.26W的功耗在LED檢測電阻中消散。由于CSM的增益為50，所以使用較小值的檢測電阻來感測輸出電流。 當通過CSM分流電阻器的電流超過由CSM檢測電阻器設置的限制時，CSM增益和比較器閾值(R，R)，PMOS通道晶體管中斷負載電流，充當電子斷路器。

通過將RESET引腳切換為低電平，可以復位鎖存輸出。但是，出于本文的目的，RESET已被禁用，以檢查響應速度。響應速度和峰值電流取決于許多變量，包括元件選擇、CSM帶寬、噪聲濾波器、輸出電容、FET選擇和輸出升壓電感器。合在一起，這些因素會影響轉換器的輸出阻抗。為了準確評估運行，我們進行模擬，最大時間步長設置為50 ns，直流相對公差設置為0.001%。分析在TINA-TI，一款免費的Berkeley SPICE 3f5兼容模擬器進行。以300 kHz運行的升壓轉換器的5 ms模擬運行僅僅在30秒內啟動至穩定狀態。

電流分流監視器(CSM)放置在哪里?

CSM可以放置在升壓轉換器的輸入或輸出端。在此次的模擬中，CSM放置在輸出端，感測流經10-mΩ 分流器的電流。分流器與輸出PMOS通道元件(T5)串聯布置。根據CSM的布局，該電路可以防止內部或外部短路。但是，CSM必須設計在所有工作條件下有足夠的共模范圍(CMR)。

如果放置在升壓轉換器的輸入端，則可以選擇較低CMR的CSM。但是，將CSM置于輸出端會繞開升壓電感器，會加速短路的反應時間。不管CSM放在何處，應使用RC濾波器來減少分流電阻引起的突發di/dt事件而可能發生的噪聲和諧振振鈴。可以放置一個小的100Ω電阻和差分電容器，其時間常數是分配器估計的Lp/R時間常數的三倍，其中Lp為寄生并聯電感器。由于CSM的增益誤差和帶寬會受到噪聲濾波器的不利影響，因此要保持濾波器數值很小。

模擬結果

模擬結果如圖5所示，Vg是PMOS FET的控制電壓，在正常條件下設置為-6V。根據FET的閾值電壓、閥級電荷和飽和特性，需要進行優化。將閥的電壓最小化可以提高反應時間，并且應選擇上拉電阻，將中斷周期最小化。請注意，輸入電流和閾值電壓顯示為高閥級電荷(紫色)和低閥級電荷(藍色)MOSFET。

圖5.標準有線和無線網絡將傳輸物理建筑系統和建筑管理設備之間傳遞的相對簡單的命令和數據。

很顯然，下柵極充電器件將輸入端所看到的電流最小化。選擇MOSFET和柵極驅動電路以獲得最佳響應是重要的考慮因素，限制di/dt并滿足MOSFET的安全操作要求。這些是不易分析的復雜設計考慮因素; 因此，最好先進行模擬和確認。

某些示波器(如Tektronix產品)提供了專門的測試軟件，可以計算MOSFET安全工作曲線的開關功率損耗。模擬表明響應時間小于2μs，在電流中斷前，輸入電流小于6A。選擇中斷FET將影響峰值輸入和輸出電流。驅動高端NMOS器件的高性能熱插拔控制器是另一種選擇，能夠實現小于250ns的中斷時間。這些設備針對背板熱卡插入進行了優化，但可能會提供比此處展示的更高性能的解決方案。

避免失敗

在模擬的電路中，在變化的負載條件下，會中斷或者限制升壓轉換器LED驅動器的輸入/輸出電流。該電路經過優化，可用于汽車LED前照燈驅動器。模擬表明，實現最佳電路響應時間需要仔細分析和組件選擇。將這些敏感度集成到綜合時域電路仿真中，有助于理解電路對工作條件和元件選擇的特征。

專門的熱插拔控制器具有專門的功能和優化的性能，應該考慮。無論哪種情況，在實施電路中斷或限制電源時，都需要仔細分析。為LED驅動器設計強大的保護電路很復雜，想加速分析和設計，像TINA-TI、SPICE和WEBENCH這樣的軟件是很有用的工具。