引言

居住在鄉間小路旁別有一番愜意。這里環境清幽，滿目自然景致。但也存在弊端：停電現象時有發生。當地每年約停電五次，頻繁的斷電帶來諸多不便，尤其到了夜晚，整棟房屋會陷入一片漆黑。不少家庭即便斷網尚可勉強生活，但沒有照明卻是一個嚴重的問題。經歷上一次停電后，我設計了一套工程解決方案，以避免類似問題再次發生。

車庫里一盞積滿灰塵的舊露營燈被重新清理，并裝入四節全新的 D 型電池后投入使用，能夠提供數小時的照明。。但隨著電池電量逐步耗盡，燈光亮度持續衰減，最終完全熄滅。為提升性能，本文探索了多種方法，以更高效地驅動 LED。

LTC3115降壓-升壓轉換器

LED通常采用串聯方式連接，并由恒流源驅動。這款露營燈的內部架構也采用了類似的串聯配置，依靠限流電阻為LED燈串進行電流調節。在電池放電過程中，隨著供電電壓逐漸下降，加在 LED 兩端的正向偏置電壓減小，導致發光強度逐漸降低，直至電壓降至其最低工作閾值以下時，LED 熄滅。因此，可采用降壓-升壓轉換器為LED燈串提供穩定電壓，并搭配小型電阻實現限流。這種做法還有一大優勢：當電池電壓低于LED正向偏置電壓時，電路可對電池電壓進行升壓，維持LED持續點亮。一個可行的設計思路由此逐漸形成。

選用了 DC2119A（LTC3115-2 降壓-升壓轉換器的評估板）集成到燈具外殼中。該器件具備最高 40V 的輸入電壓能力，可在多種供電條件下實現延長工作時間，包括應急備用電源等應用場景。

圖1為LTC3115-2的內部結構。

圖1：LTC3115-2的內部功率電路

值得注意的地方是FET A和FET B組成一個降壓轉換器的時候，FET C常態關斷，FET D常態導通。當PVIN高于PVOUT時，FET A導通，電感兩端產生電壓并完成儲能，電流由SW1流向SW2。隨后，FET A關斷，FET B導通。電流流經FET B，電感電流繼續從SW1流向SW2，最終匯入接在PVOUT端的輸出電容。在升壓模式下，FET C與FET D反相交替導通：FET C利用輸入電壓為電感充電，FET D則將電感中的能量釋放至輸出電容。此模式下FET A常態導通，FET B常態關斷。在降壓-升壓模式中，因輸入與輸出電壓相等，電感兩端無壓差，開關邏輯需做出相應調整。圖2展示了輸入和輸出電壓均為6V時，開關節點電壓與電感電流的變化波形。

圖2：開關節點電壓與電感電流波形

(FET A + FET C)：FET A導通，SW1節點電壓抬升至PVIN。FET C導通，SW2節點被拉至0V。電感兩端承受高壓，電流線性上升，流向為SW1至SW2。

(FET A + FET D)：隨后FET C關斷，電感為維持電流不變，兩端產生反向電壓，SW2節點電壓不斷抬升，直至FET D的體二極管導通，此時SW2電壓比PVOUT高出0.6V。繼而FET D導通，體二極管被旁路，SW2電壓回落至PVOUT，電感電流線性衰減，電能流入輸出電容。

(FET B + FET D)：接著FET A關斷，電感再次產生反向電壓，FET B的體二極管導通，SW1節點電壓下拉0.6V。之后FET B導通，SW1節點被短接至0V。此時SW1節點不再等于VIN，而是等于0V，因此電感兩端壓差增大，放電速度加快。

(FET B + FET C)：隨后FET D關斷，其體二極管導通，SW2電壓抬升至超出PVOUT 0.6V。緊接著FET C導通，SW2被拉至0V。至此SW1、SW2均為0V，飛跨電容CBST1、CBST2開始補電，電容儲存的電壓用于高邊驅動FET A與FET D。

拆解露營燈后發現，其內部所有LED均為并聯接法，電池直接通過四只7.5Ω、3W大功率電阻為LED供電，電能損耗嚴重，加速了電池耗電。大部分電能都耗散在電阻上，電池續航自然大打折扣。實測LED兩端工作電壓為3.2V。

可充電電池在完全放電時端電壓約為1V，這意味著該燈具的電池組電壓會下降至約 4V。雖然簡易降壓轉換器也可滿足需求，最終仍選用了降壓-升壓轉換器。拆除原有大電阻后，先通過臺式電源直接為LED燈串供電，將電壓調至約3.3V，達到最佳發光亮度。再將LTC3115-2的輸出電壓設定為3.3V，直接驅動LED，原理圖見圖3。

圖3：升壓轉換器的原理圖

測試結果與自舉技術應用

將電池組接入升壓轉換器后，LED按照預期滿亮度點亮。但工作約10分鐘后，燈光開始閃爍，這顯然不是理想的表現。進一步分析發現，電池電壓跌至2.4V進入器件的輸入欠壓鎖定閾值，導致器件反復復位。器件關斷后LED熄滅，電池負載解除，電壓逐步回升；隨后器件重新啟動，LED再次點亮，如此循環往復。這種現象被稱為“汽船噪聲”，這個叫法源自早期便攜式音頻功放：負載反復接入、斷開會使電路持續振蕩，揚聲器隨之發出類似汽船發動機“噗噗”的聲響。

通過將 VIN 引腳從輸出電壓進行自舉供電（bootstrapping），該問題得到了有效緩解自舉技術是利用輸出電壓為升壓轉換器輸入引腳供電的常用手段，通過增強內部場效應管的驅動能力，通常可提升電路整體效率。器件數據手冊中也詳細介紹了對VCC引腳進行自舉的方案，這種方式可減小LTC3115內部低壓差穩壓器（LDO）的壓降，進而提升轉換效率。而在本電路中，自舉技術還能讓VIN引腳電壓始終高于欠壓鎖定閾值，拓寬器件正常工作的輸入電壓范圍。本電路將PVIN與VIN引腳獨立驅動，借助圖3中的二極管D2，把VIN引腳連接至VOUT端。由于電路啟動瞬間輸出電壓為0V，額外增設二極管D1連接至VIN，保障器件順利啟動。兩個二極管型號均為1N5819。同時增加電容C3，在電池電壓短暫跌落時，維持VIN引腳電壓穩定。LTC3115的功率回路（場效應管、電感）電流由PVIN提供，VIN引腳功耗極低，搭配常規容值的電容即可實現濾波去耦。上述改造大幅優化了LED驅動器的工作表現，電池可放電至更低電壓。

為直觀展示自舉技術的效果，圖4為使用老舊電池堆時的波形。其中，PVIN為黃色，VOUT為藍色，VIN為粉色。

圖4：使用老舊電池時的電路運行情況：PVIN（黃色）、VOUT（藍色）、VIN（粉色）。

波形中心線左側區域，器件啟動后VOUT電壓逐步抬升，給PVIN帶來較大負載，致使PVIN電壓開始下降。粉色波形取自電容C3兩端，該電容由PVIN充電，電壓比PVIN低一個肖特基二極管壓降。PVIN電壓回落時，電容C3持續為VIN供電，使其電壓暫時保持高位；由于LTC3115-2有約6mA靜態電流，VIN電壓呈線性緩慢下降。當VIN電壓低于VOUT時，二極管D2開始導通，即便PVIN電壓大幅跌落，VIN依舊能維持正常電平。最終電池能量耗盡，在距離波形中心線約1.6個刻度處，PVIN電壓降至1.1V（RUN引腳關斷閾值），器件停止工作。電池中的負載移除后，PVIN電壓回升，電路再次啟動，整個過程再次重復。

當為電路更換新電池后，LED 的表現明顯改善，亮度保持穩定且更加一致。。后續借助臺式電源，分別對原7.5Ω電阻器和降壓-升壓轉換器開展對比測試。當臺式電源輸出電壓設為5.90V時，原電阻電路輸入電流為320mA，電阻發熱嚴重；接入LTC3115后，輸入電流降至約160mA，電池供電電流顯著降低。此外，搭載降壓-升壓轉換器的電路，即便輸入電壓持續下降，LED亮度也能始終保持恒定。

結語

LTC3115-2可有效緩解家庭頻繁停電帶來的不便。圖3所示電路結合自舉技術，有效延長了露營燈的使用時長與降壓-升壓轉換器的工作區間。

有關升壓轉換器自舉技術的更多信息，請參閱文章“增大升壓轉換器的效用：以更低電壓驅動更重負載”。如需了解家用設備不間斷電源的設計方法（斷電時為無線網關、固定電話持續供電），可查閱文章“如何為家用設備構建不間斷電源”。

作者簡介

Simon Bramble于1991年畢業于英國倫敦布魯內爾大學，擁有電氣工程和電子學學位，專門從事模擬電子器件和電源工作。他在職業生涯里主要從事模擬電子器件工作，曾就職于Maxim和凌力爾特（現在均已并入ADI公司）。