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XL3001开路保护原理及重要性

引言 

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。

图1.XL3001典型应用电路

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)。

图2.某LED的V-I特性曲线 

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。

图3.增加开路保护的XL6006电路 

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)。


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