Kombinerade styrslingor för spänning och ström ger enklare LED-drivkretsar, batteri-/superkondensatorladdare och MPPT-solenergitillämpningar.

Den snabba ökningen av tillämpningar med konstant ström/konstant spänning (CC-CV), framför allt inom LED-belysning och kraftfulla batteri- och superkondensatorladdare utmanar kraftkonstruktörer att hålla jämna steg med det alltmer komplicerade samspelet mellan styrslingor för  ström och spänning. En switchad omvandlare, konstruerad speciellt för CC-CV erbjuder klara fördelar, framför allt när kraftmatningen är begränsad, eller när den ska gå till flera konkurrerande laster.
Betänk exempelvis utmaningen att ladda en superkondensator på kortast möjliga tid med en matning vars effekt är begränsad. För att bibehålla konstant ineffekt måste laddningsströmmen styras så att den minskar när (superkondensatorns) utspänning ökar.
LT3796 löser problemet med effektbegränsad eller reglerad konstant ström/konstant spänning genom att sömlöst kombinera en strömreglerande slinga med två spänningsreglerande slingor för att styra en extern N-kanals kraftswitch. Det inbyggda trådbundna "OR"-beteendet hos dess tre förstärkare av fel över konduktansen som samlas i kompenseringsbenet, VC, ser till att rätt slinga (dvs den närmast regleringen) dominerar.
Den extra fristående förstärkaren för strömavkänning kan konfigureras för hur många funktioner som helst, inklusive begränsning av inström och styrning av inspänning.
LT3796s breda V_IN-område (6 V till 100 V) samt "rail-to-rail"-baserade (0 V till 100 V) övervakning och styrning av utström gör att komponenten kan användas i en rad olika tillämpningar, från solbatteriladdare till kraftfulla LED-belysningssystem. Strömarkitekturen, med fast switchfrekvens, ger stabil funktion över ett brett område av matnings- och utspänningar. LT3796 inkluderar högsides strömavkänning, vilket möjliggör användning i boost-, buck-, buck/boost- eller SEPIC- och flyback-topologier.

Kortslutningsskyddade LED-drivkretsar

Fig 1. En 34 W LED-drivkrets med robust utgående kortslutningsskydd.

Fig 1 visar LT3796 konfigurerad som en boost-omvandlare för att driva en 34 W LED-sträng från ett brett inspänningsområde. LED-strömmen sänks vid låg inspänning för att förhindra överhettning av externa kraftkomponenter. Ingångsstegets förstärkare för strömavkänning övervakar inströmmen genom att omvandla inströmmen till en spänningssignal vid CSOUT-benet med

Nätverket av motstånd vid FB1-benet ger OPENLED-skydd, som begränsar utspänningen och förhindrar att ISP-benet, ISN-benet och flera externa komponenter överskrider sin maximala märkspänning. Vid fel på en öppen LED eller om en LED-sträng tas bort från den kraftfulla drivkretsen tar FB-slingan för konstant spänning över och reglerar utspänningen till 92,5 V. En flagga finns också för säker indikering i händelse av OPENLED.
LT3796 inkluderar kortslutningsskydd som är oberoende av LED-strömavkänningen. Kortslutningsskyddet förhindrar utveckling av för hög switchström och skyddar kraftkomponenterna. Skyddets tröskelvärde normalt 375 mV) är utformat att vara 50 procent högre än den förinställda tröskeln för LED-strömavkänningen.
Om LED-överström detekteras drivs GATE-benet till GND för att sluta switcha, TG-benet dras högt för att koppla bort LED-systemet från kraftslingan och benet säkras. Schottky-dioden D₂ läggs till för att skydda uttaget av PMOS M₂ från falla långt under jord när den kortsluts till jord via en lång kabel. PNP-hjälpredan Q1 inkluderas för att ytterligare begränsa transientström vid kortslutning.

Fig 2. Skydd mot kortsluten LED: hickande läge (utan R11 i fig 1).

Om det inte finns något motstånd mellan SS-benet och V_REF-benet går omvandlaren in i ett hickande läge och gör periodvis upprepade försök såsom visas i fig 2.

Fig 3. Skydd mot kortsluten LED: "latchoff"-läge (med R11 i fig 1).

Om ett motstånd placeras mellan V_REF– och SS-benet för att hålla SS-benet högre än 0,2 V vid  LED-kortslutning, går LT3796 in i ett "latchoff "-läge med GATE-benet lågt och TG-benet högt, såsom visas i fig 3. För att komma ur "latchoff"-läget måste EN/UVLO-benet vippas från lågt till högt.

PWM-dimmer

Fig 4. En buck LED-drivkrets med 3000:1 PWM-dimning.

Genom att använda en LED-sträng som refereras till ingången kan LT3796 agera som styrkrets i buck-läge såsom visas i fig 4. Arbetsfrekvensen på 1 MHz möjliggör en hög grad av PWM-dimning. OPENLED-regleringsspänningen är ställd till

genom strömavkänningens oberoende förstärkare vid CSP-, CSN- och CS_OUT-benen. När PWM är av stänger LT3796 av samtliga interna laster till VC-benet och bevarar laddningstillståndet. Den stänger även av PMOS-switchen M2 för att koppla bort LED-strängen från strömslingan och förhindra att utgångskondensatorn laddas ur. Tillsammans förbättrar dessa funktioner väsentligt LED-strömmens återhämtningstid vid hög PWM-signal.

Fig 5. 3000:1 PWM-dimning för kretsen i fig 4 vid V_IN = 24 V, PWM = 100 Hz.

Även med en PWM-insignal på 100 Hz kan denna LED-drivkrets för buck-läge uppnå dimning på 3000:1 som visas i fig 5.

RWIRE-kompenserad SEPIC-omvandlare
Spänningsfall i ledningar och kablar kan orsaka fel i lastregleringen. Sådana fel kan rättas till genom tillägg av ledningar för fjärravkänning, men i vissa tillämpningar är det inte möjligt att lägga till ledningar. Som ett alternativ kan LT3796 justera för ledningsfall, oavsett lastström, förutsatt att impedansen för den parasitiska ledningen eller kabeln är känd.

Fig 6. Denna SEPIC-omvandlare kompenserar för spänningsfall i ledningen mellan styrkretsen och lasten (RWIRE).

Fig 6 visar en 12 V SEPIC-omvandlare som utnyttjar denna möjlighet till Rwire-kompensering. RSNS1 väljs att ha en lastströmbegränsning på 1 A som styrs av ISP-, ISN-benen.

Fig 7. RWIRE spänningsfall kompenseras för via LT3796s CSAMP-krets.

Motståndsnätverket R1–R5 justerar tillsammans med LT3796s integrerade förstärkare för strömavkänning (CS_AMP i figur 7) OUT-nodspänningen (V_OUT) för att klara spänningsfall i förhållande till lastströmmen. Detta tillser att V_LOAD fortsätter att ligga konstant på 12 V över hela lastområdet.
Fig 7 visar den roll som LT3796s interna CS_AMP-krets spelar för funktionen. LT3796s spänningsslinga reglerar FB1-benet till 1,25 V så att I₃ ligger fast på 100 µA för R₅ = 12,4k. I fig 7 förändras V_OUT med strömmen I₂ som V_OUT = 1,25 V + I₂ • R₄. Om förändringen hos I₂ • R₄ kan uppväga förändringen hos I_LOAD • (R_SNS1 + R_WIRE) kommer V_LOAD att hållas konstant.
I fig 7 ställer delaren R₁/R₃ från V_OUT in den spänning som regleras vid CSP av den ström I₁ som flyter i R₂. I₁ överförs tilll FB1-noden där den läggs ihop med I₂.
När utströmmen ökar minskar I₁ på grund av det ökade spänningsfallet över R_SNS; dess minskning måste kompenseras av en matchad ökning av strömmen I₂ för att konstanta 100 µA ska bibehållas in i FB2. Denna ökning av _I2 med utström är det som ger V_OUT dess positiva lastreglerande egenskap. Den positiva lastregleringen är precis det som behövs för att kompensera för fallet i kablarna.

Fig 8. Uppmätt V_LOAD och V_OUT i förhållande till I_LOAD-fall kompenseras för via LT3796s CS_AMP-krets.

Uppmätta V_LOAD och V_OUT i förhållande till I_LOAD visas i fig 8. V_LOAD är helt klart oberoende av I_LOAD när I_LOAD är mindre än strömbegränsningen på 1 A. När I_LOAD närmar sig 1 A börjar strömslingan vid ISP- och ISN-benen störa spänningsslingan och drar på motsvarande sätt ner utspänningen.

Fig 9. Laststegsvar för kretsen i fig 6.

Lasttransientsvaret visas i fig 9.

Batteriladdare för solpaneler
Soldriven utrustning är beroende av en mycket varierande energikälla, så för att utrustningen alltid ska gå att använda måste energi från solceller lagras i ett uppladdningsbart batteri. Solpaneler har en maximal effektpunkt, en relativt fast spänning vid vilken panelen kan producera mest kraft. Spårning av den maximala effektpunkten (MPPT, maximum power point tracking) åstadkoms vanligtvis genom att en omvandlares utström begränsas så att  panelspänningen inte tillåts avvika från detta värde. LT3796s unika kombination av ström- och spänningsslingor gör att den är en idealisk MPPT-batteriladdarlösning.

Fig 10. En solpanelbatteriladdare med MPPT.

Fig 10 visar en solpanel till en försluten blybatteriladdare som drivs av LT3796. Laddaren utnyttjar en trestegsbaserad laddningsmetod. Första steget är laddning vid konstant ström. När batteriet är laddat upp till 14,35 V börjar laddningsströmmen minska. Slutligen, när den batteriladdningsström som behövs sjunker under 100 mA stänger den inbyggda C/10-termineringen av laddningskretsen genom att dra ned, och laddaren går in i underhållsladdningssteget med V_FLOAT = 13,5 V för att kompensera för förluster orsakade av självurladdning.
Laddningsströmmen programmeras av motståndsnätverket vid CSP- och CS_OUT– (CTRL-) benen som följer,

MPPT implementeras genom styrning av den maximala utgående laddningsströmmen. Laddningsströmmen minskar när spänningen på solpanelens utgång går mot 28 V, vilket motsvarar 1,1 V på CTRL-benet och full laddningsström, såsom visas i figur 11.

Fig 11. I_CHARGE mot V_IN för solladdaren i fig 10.

Denna servo-slinga kommer därmed att dynamiskt minska laddningssystemets energibehov till den maximala kraft som panelen kan tillhandahålla, vilket gör att solpanelens kraftanvändning hålls på nära nog 100 procent.

Strömbegränsad superkondensatorladdare
Superkondensatorer håller snabbt på att ersätta batterier i många tillämpningar, allt från snabbladdade kraftceller för sladdlösa verktyg till kortsiktiga reservsystem för mikroprocessorer. Superkondensatorer räcker längre, är miljövänligare, har högre prestanda och är billigare i långa loppet, men laddning av superkondensatorer kräver noggrann styrning av laddningsström och spänningsbegränsning för att förhindra att hela systemet skadas eller att superkondensatorn skadas.

Fig 12. En 28 V/1,67 A superkondensatorladdare med inströmbegränsning.

Vissa tillämpningar kräver att inströmmen begränsas för att förhindra att den ingående matningen kraschar. Fig 12 visar en 1,67 A superkondensatorladdare med 28 V reglerad utspänning och inströmbegränsning på 1,33 A. Inströmmen avkänns av RSNS1, omvandlas till en spänningssignal och matas till FB2-benet för att ge inströmbegränsning.
I varje laddningscykel laddas superkondensatorn från 0 V. Återkopplingsslingan från V_OUT till RT-benet genom R₃, C₅, R_5, R₁₀, R₄ och Q₁ till RT fungerar som frekvens-"foldback" för att hålla regleringen under kontroll.

Fig 13. In-/utström mot utspänning för 28 V/1,67 A. superkondensatorladdare i fig 12.

I fig 13 har inströmmen och utgående laddningsström plottats mot utspänningen för denna laddare, vilket visar att LT3796 bibehåller regleringen av utströmmen tills inströmmen närmar sig inströmbegränsningen på 1,33 A.
Kombilösning
LT3796 är en mångsidig step-up DC/DC-styrkrets som kombinerar noggranna styrslingor för ström och spänning. Dess unika kombination av en enkel strömslinga och två spänningsslingor gör det lätt att lösa problem med tillämpningar som kräver flera styrslingor, såsom LED-drivkretsar, batterier eller superkondensatorladdare, MPPT-baserade solbatteriladdare samt step-up eller SEPIC-omvandlare med in- och utströmbegränsning. Den inkluderar även ett antal felskydds- och rapporteringsfunktioner, en toppgrinddrivkrets och strömslinge-rapportering.
LT3796 i sin 28-bens TSSOP-kapsel utför uppgifter som annars skulle kräva ett antal integrerade styrkretsar och system. Den erbjuder ett tillförlitligt kraftsystem som är enkelt, kostar mindre och har litet format.
Av Xin (Shin) Qi, Linear Technology

Filed under: Opto