使用鋁電解電容的長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器

圖10. 電感溫度的上升，計(jì)算器由Coilcraft®提供。

電路說明

概述

該參考設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)串LED提供高壓boost電流源，適用于LCD TV背光、LCD監(jiān)視器背光、路燈、停車場(chǎng)照明等。長(zhǎng)串LED驅(qū)動(dòng)是一種高性價(jià)比LED驅(qū)動(dòng)方案。另外，由于LED具有完全相同的電流，可以很好地控制亮度變化。設(shè)計(jì)采用24V輸入，提供高達(dá)80V的LED輸出，能夠?yàn)長(zhǎng)ED串提供高達(dá)350mA的電流。測(cè)得的輸入功率為29.3W，輸出功率為26.4W，效率大約為90%。

PCB

印刷電路板(PCB)是用于MAX16834升壓設(shè)計(jì)的通用電路板(圖1和圖3)。因此，電路板中有許多短路或未組裝的元件。原理圖(圖2)中給出了這些元件。圖4所示為該設(shè)計(jì)的材料清單。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用300kHz非連續(xù)boost調(diào)節(jié)器。圖5所示電子表格顯示了計(jì)算得出的MOSFET和電感的RMS電流、峰值電流。不可否認(rèn)，非連續(xù)工作模式具有一些缺點(diǎn)，MOSFET和電感電流較大。然而，由于MOSFET (Q1)導(dǎo)通時(shí)輸出電流基本為零，輸出二極管(D2)的反向恢復(fù)損耗極小。這一優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了設(shè)計(jì)中的不足，因?yàn)榉聪蚧謴?fù)電流產(chǎn)生的過熱和噪聲很難控制。檢查圖6所示電路波形，可以發(fā)現(xiàn)MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間大約為1.6µs。一旦斷開MOSFET，電感連接到輸出電容，漏極電壓將跳至75V并保持大約1µs的時(shí)間。此后，電感能量基本耗盡，在隨后的1微秒內(nèi)，電感和MOSFET的輸出電容開始自激，直到下一個(gè)導(dǎo)通周期。

MOSFET驅(qū)動(dòng)

由于采用非連續(xù)設(shè)計(jì)，MOSFET峰值電流高于連續(xù)工作模式下電流的兩倍。然而，由于MOSFET導(dǎo)通期間沒有電流通過，只有斷開期間才會(huì)出現(xiàn)開關(guān)損耗。MAX16834為MOSFET提供足夠的驅(qū)動(dòng)，可以在大約20ns內(nèi)斷開開關(guān)(圖7)，因此溫度上升的幅度較小。如果系統(tǒng)存在EMI問題，可以更改MOSFET柵極的串聯(lián)電阻和二極管，以調(diào)整開關(guān)時(shí)間。必要時(shí)，將第二個(gè)MOSFET (Q2)與Q1并聯(lián)，以減少溫升。

輸出電容

驅(qū)動(dòng)器使用壽命較長(zhǎng)的電解電容作為輸入和輸出電容。電解電容器的耐用性不及陶瓷電容，且尺寸較大，但能夠以較低成本提供充足的電容量。為了控制電路高度(10mm)，電解電容以水平方向安裝在電路板上。輸入、輸出電容在+105°C條件下的額定使用壽命分別為4000小時(shí)和8000小時(shí)。通常，環(huán)境溫度每降低10°C，電解電容的使用壽命延長(zhǎng)一倍。這意味著在+65°C環(huán)境溫度下，輸入/輸出電容的預(yù)期壽命分別為64000小時(shí)/128000小時(shí)。圖5電子表格顯示，只需大約6µF的輸出電容即可達(dá)到所要求的輸出電壓紋波。由于電解電容器的紋波電流容量有限，本設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)47µF電容。使用多個(gè)電容能夠消除大部分開關(guān)頻率的紋波電壓(圖8)。但由于電容選擇了具有較高等效串聯(lián)電感(ESL)的電解電容，無法完全濾除MOSFET開關(guān)斷開時(shí)所產(chǎn)生的電路噪聲。在輸出端添加陶瓷電容或低Q值LC濾波器可以在一定程度上解決這一問題。任何元件都需要付出一定的成本，在安裝之前應(yīng)首先確定是否存在與高頻尖峰信號(hào)。

調(diào)光

MAX16834非常適合調(diào)光。當(dāng)PWMDIM (IC的第10引腳)為低電平時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以下三個(gè)操作：首先，開關(guān)MOSFET (Q1)的柵極驅(qū)動(dòng)(第13引腳)變?yōu)榈碗娖剑苊忸~外能量傳送給LED串；其次，調(diào)光MOSFET (Q3)的柵極驅(qū)動(dòng)(第18引腳)變?yōu)榈碗娖剑梢粤⒓唇档蚅ED串的電流，而且調(diào)光MOSFET可以在斷開期間保持輸出電容的電壓恒定；最后，為了保持補(bǔ)償電容的穩(wěn)定電壓，COMP (第3引腳)變?yōu)楦咦琛OMP引腳的高阻可確保IC在PWMDIM返回高電平后立即以正確的占空比開始工作。上述操作以及非連續(xù)工作模式中在每個(gè)周期開始時(shí)電感電流為零，使得PWM具有極短的導(dǎo)通時(shí)間，因此可以獲得較高的調(diào)光高。調(diào)光比僅受限于主開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的頻率。由于本設(shè)計(jì)的工作頻率為300kHz，PWM最短導(dǎo)通時(shí)間約為3.33µs，意味著調(diào)光比可以達(dá)到1500:1 (200Hz調(diào)光頻率)。圖9給出了導(dǎo)通時(shí)間低于4µs時(shí)，LED串的電流。LED串電流符合要求，可以提供最高350mA的電流。

OVP

如果LED串開路，MAX16834的過壓保護(hù)(OVP)電路會(huì)在下次導(dǎo)通前將驅(qū)動(dòng)器斷開大約400ms。本設(shè)計(jì)的OVP閾值設(shè)為101V。

FAULT#

MAX16834提供一路FAULT#輸出信號(hào)。一旦檢測(cè)到內(nèi)部故障(過流或過壓)，該輸出將變?yōu)榈碗娖?。故障解除后，F(xiàn)AULT#即可恢復(fù)到高電平。FAULT#不會(huì)鎖定。

溫升

由于電路高效(大約90%)工作，驅(qū)動(dòng)元件的溫度不會(huì)升高。電感則例外，其溫度上升幅度可以達(dá)到+49°C，高于圖10中Coilcraft給出的+27°C預(yù)測(cè)溫度。當(dāng)峰值電流在RMS電流兩倍以上時(shí)(非連續(xù)設(shè)計(jì)會(huì)出現(xiàn)這種情況)，預(yù)測(cè)溫度偏差較大。高溫環(huán)境下，需要使用汽車級(jí)電感(+125°C)或使用兩個(gè)串聯(lián)的6µH電感。常溫或較低溫度環(huán)境下，一個(gè)12µH電感即足以滿足要求。

溫度測(cè)量

使用實(shí)際的LED負(fù)載測(cè)量以下溫度：

加電過程

1. 在LED+焊盤和LED-焊盤之間連接最多23個(gè)串聯(lián)的LED。
2. 在V_IN焊盤和GND焊盤之間連接24V/2A電源。
3. 如果需要調(diào)光，在DIM IN和GND焊盤間加載一個(gè)PWM信號(hào)(0至5V)。
4. 接通24V電源。
5. 根據(jù)需要調(diào)整PWM占空比，進(jìn)行調(diào)光。