多通道BUCK恒流方案的应用

  摘 要：本文介绍了BUCK电路的传统架构，在此基础上重点分析了应用于背光恒流方案上的BUCK拓扑派生架构，以及应用此派生架构在实际使用的过程中遇到的问题，并结合实际案例给出具体的解决措施，通过实验及大批量的生产验证表明，措施有效、稳定且可靠，对后续使用类似的恒流架构方案具有现实的借鉴和参考意义。

  随着LED电视背光模组的持续不断的发展，目前与背光模组相匹配的恒流拓扑有3种：

  3）电源输出“直驱式”。其中每一种恒流拓扑均有其优点和缺点，根据屏体规格要求，在设计时需选择正真适合的拓扑架构与之匹配，其中BUCK恒流拓扑架构因其架构简单、电路效率高，设计成本低而被广泛应用。

  本文介绍了BUCK恒流的拓扑架构，在此基础上重点分析了BUCK恒流方案在实际应用中遇到的主体问题和设计容易忽略的细节问题，并给出相应的解决措施和思路，对后续使用类似BUCK恒流驱动方案有十分重要的借鉴和指导意义。

  统的Buck变换器，也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。Buck变换器也有CCM和DCM两种工作方式。主要由开关管（Q1）、电感（L0）、输出滤波电容（C0）以及续流二极管（D1）组成，从电路能看出，电感L0和电容C0组成低通滤波器。

  根据BUCK电路特点，并结合背光恒流方案的设计的基本要求，将原有BUCK电路进行变形和派生，演化成上图2所示的BUCK恒流驱动电路。

  当恒流IC的驱动为高电平时， Q1闭合，电源Vdc通过模组灯条（负载）给电感L0充电，此时电感上的电流增大。MOS管开通时，BUCK电路的开通回路为：Vdc(+) →模组灯条（负载）→L0(电感)→Q1(MOS) →地。当恒流IC的驱动为低电平时，Q1关断，电感L0电流通过模组灯条放电，电感处于放电过程。MOS管关断时，BUCK电路的关断回路为：L0 + (电感)→ D1（续流二极管）→模组灯条（负载）→ L0 - (电感)。在此电路中，电感值的选择是关键，设电感值的选择取决于LED允许的电流等级。假设LED允许的纹波为±10%，那么根据电感公式 E=L di/dt，考虑到MOS关断期间，电感为LED灯条提供能量，E=VLED=Vo,max=L di/dt，此时， di 为纹波电流，等于0.2× Io,max， dt 是关断时间，则

  由于该恒流采用BUCK派生的电源拓扑，因BUCK电路本身的一些限制，针对在开发和量产的过程中出现的问题以及在实际中容易忽略的问题，在此进行缘由分析，并给出解决的方案。以下的分析主要基于OZ9906（6通道）的恒流方案为例进行说明。

  BUCK恒流电路因其简洁的电路形式、高效率及较低的成本等特点，在LED背光电源中被大范围的应用。但是，BUCK恒流电路因自身的电路限制，和恒流芯片方案配合使用时，也存在一些缺陷，如部分灯条开路、MOS管短路实验及续流电路故障等，都无法直接实现灯条保护或器件的安全，必须借助于恒流芯片的专用引脚来触发输入电源的保护，以OZ9906为例，当上述故障出现时，状态引脚（STATUS）（其他恒流方案也用FAULT引脚来表示类似的功能），通过该引脚的电平翻转来发出保护信号，通过外加保护电路来触发电源端的保护，使总系统在恒流驱动故障时处于安全的保护模式。如下图（3）即为和OZ9906匹配的一种保护电路。

  在恒流IC正常工作时，STATUS为高电平，即A点为高电平（A点和STATUS引脚连接），三极管Q1导通，三极管Q1的c极为低电平，那么该电路的B点为低电平，以至于B点连接电源端的自锁电路不动作，电源正常工作，整个电视系统工作正常。

  当部分灯条开路、MOS管短路、续流二极管及该电路上的其他器件开路及开机PWM和ENA时序异常等其中一项不正常的情况发生时，STATUS电平瞬间由高电平翻转为低电平，三极管Q1截至，因三极管Q1的c极通过电阻连接至恒流IC内部的参考电压，导致三极管c极变为高电平，二极管D1导通，B点为高电平，因此导致连接B点的电源端的自锁电路触发保护，使电源锁死保护，整个电视系统处于保护状态，从而避免灯条、器件及其他异常发生。

  在使用BUCK方案做多路恒流驱动时，使用柱状电感在PWM调光方式下，会产生较大的噪音问题，且路数越多，叠加的噪音越大。

  因使用柱状电感（圈数为170 Ts，感量为1.5mH），一般圈数较多，绕线层数较密，当恒流板调光方式选用PWM调光时，BUCK电路的电感电流工作在开关状态，导致电感线圈发出噪音，同时，因屏体灯条数为6路，6路BUCK电感噪音叠加，使得整个恒流板产生较大的噪音。

  将BUCK电感由柱状电感改为环状电感（圈数为110 Ts，感量为650μH）,将电感绕线沿环状分布，减少绕线的叠加，在PWM调光方式下，可基本消除单路BUCK电感噪音，以此来降低6路电感的噪音叠加。

  因BUCK恒流方案的STATUS脚在不正常的情况下会通过保护电路触发电源端的保护，因此在设计时需格外的注意当PWM（调光信号）和ENA（使能信号）时序异常时是否会触发恒流IC的STATUS脚保护，并且参数的设置需和恒流方案的规格相匹配。正常的情况下，很少关注PWM最小占空比情况下设计参数的最小值要求，导致整机匹配时出现异常。现以某项目中使用的BUCK恒流（OZ9906）方案为例进行说明。

  当PWM出现最小占空比时，PWM频率为100Hz，最小占空比为5%（甚至更小），也就是说Toff=10ms×(1-5%)=9.5 ms，Ton=0.5 ms，即在0.5ms内需保持使能脚为高电平，同时TIMER脚（保护延迟时间设定）电压不能升至门限值，才不会使STATUS状态脚电平翻转，触发自锁电路工作，因此导致电源端自锁发生。如下图（4）所示：

  因Tpwm=10 ms，tTpwm，所以在PWM的一个周期内，TIMER脚的电压不能够达到保护点Vt（2.8Vmin）, 所以不会触发STATUS状态脚电平翻转，从而触发自锁电路工作，导致电源端的自锁发生。

  因Tpwm=10 ms，Tpwm on=0.5 ms，因此在PWM一个周期内，TIMER脚的电压就非常有可能达到保护点Vt（2.8V min），因此导致自锁的发生。这一点也和实际机器的现象模拟吻合。

  因此在设定TIMER脚的参数时，需考虑PWM的频率以及机芯的最小占空比，只有考虑以上因素后，才能准确设置TIMER脚的参数，防止恒流芯片在实际应用时的误触发。

  本文介绍了开关电源中BUCK拓扑架构的基础原理，并对应用于目前LED TV电源背光驱动上派生的BUCK恒流拓扑架构的原理及工作过程做多元化的分析，重点介绍并深入分析了该BUCK恒流拓扑架构结合恒流芯片在实际应用中的遇到的典型问题，给出具体原因和解决方案。大量的试验和生产证明，本文所给出相应的解决措施和思路在实际应用中有效、稳定且可靠，对后续使用该方案或类似的BUCK恒流驱动方案具有借鉴和参考意义。

  [3] Steve Winder 著，谢运祥，王晓刚译.LED驱动电路设计.北京:人民邮电出版社.

  [4] 杨恒著.开关电源典型设计实例精选.[M].北京:中国电力出版社.

  本文来源于科技期刊《电子科技类产品世界》2019年第12期第52页，欢迎您写论文时引用，并标注明确出处。