基于MAX16821的6A降壓型LED驅(qū)動器設(shè)計

　概述

　　本參考設(shè)計針對便攜式投影儀的6A降壓型LED驅(qū)動器，參考設(shè)計基于PWM HB LED驅(qū)動器MAX16821，該電路可驅(qū)動一個LED;驅(qū)動RGB三色LED時需要使用三片MAX16821。

　　LED驅(qū)動器規(guī)格

　　輸入電壓范圍(VIN)：10V至15V

　　輸出電壓(VLED)：4.5V至6V

　　輸出電流(ILED)：1.5A至6A，可模擬控制

　　模擬控制電壓：1.1V至2.8V，對應(yīng)1.5A至6A

　　最大LED導(dǎo)通占空比：50%

　　最大LED電流上升/下降時間： 1µs

　　最大LED電流紋波：6A時， 15%

　　輸入

　　VIN (J1和J2接VIN+，J3和J4接GND)：10V至15V輸入電源。

　　通/斷控制(J8)：浮空或連接到+5V，使能驅(qū)動器;J8短路時禁止電路板工作。

　　PWM輸入(J7)：PWM調(diào)光輸入，連接一個幅度為3V至5V的PWM信號。為了保證PWM輸入能夠驅(qū)動Q1和Q7，信號源在驅(qū)動300pF負載時，上升/下降時間應(yīng)小于500ns。由于輸出信號的上升/下降時間控制在1µs以內(nèi)，任何周期為1µs的3至4倍的PWM信號都可以使用。

　　LED電流控制(J6)：LED電流調(diào)節(jié)輸入。加載1.1V至2.8V電壓，可以在1.5A至5A范圍調(diào)整LED電流。

　輸出

　　LED+ (J9、J10)：接LED陽極。

　　LED- (J11、J12)：接LED陰極。

　　電感電流輸出(J5)：提供一個與LED電流成比例的信號。OUTV電壓為R9電壓的135倍。

　　圖1. MAX16821 LED驅(qū)動器電路板

　　圖2. LED驅(qū)動器電路板原理圖

　電路說明

　　LED驅(qū)動器對10V至15V輸入電源電壓進行降壓轉(zhuǎn)換，恒流驅(qū)動一個正向?qū)妷簽?.5V至6V的LED。使用MAX16821 PWM HB LED驅(qū)動器實現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。由于平均電感電流等于LED電流，可以通過控制平均電感電流恒流驅(qū)動LED，開關(guān)頻率通過電阻R6 (200kΩ)設(shè)置為300kHz。

　　電路包含兩個控制環(huán)路：內(nèi)部電流環(huán)路根據(jù)外部電壓環(huán)路的輸出控制電感電流;外部電壓環(huán)路設(shè)置內(nèi)部電流環(huán)路，最終控制LED電流。外部電壓環(huán)路監(jiān)測OUTV引腳，U1的輸出產(chǎn)生EAOUT信號。EAOUT信號控制內(nèi)部電流環(huán)路，即控制電感電流。

　　模擬LED電流控制

　　運算放大器U1接受1.1V至2.8V的模擬輸入，驅(qū)動MAX16821的SENSE+輸入引腳，在1.5A至6A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)LED電流。當(dāng)LED電流達到6A時，連接到U1的參考電壓和電阻分壓器在U1輸出端產(chǎn)生大約20mV (高于VOL的最差值)的電壓。2.8V的模擬控制輸入產(chǎn)生該輸出電壓。LED電流上升到6A時，R1和R22構(gòu)成的電阻分壓器將OUTV的電流檢測信號分壓，產(chǎn)生一個很小的電壓疊加在U1輸出端;由R1和R22生成的電壓等于SENSE+輸入端100mV的外環(huán)參考電壓。注意，OUTV信號是R9、R18電流檢測信號放大后的電壓，放大倍數(shù)為135V/V。隨著模擬控制輸入電壓從2.8V開始下降，U1的輸出電壓從20mV開始線性增大。U1輸出電壓的升高，使SENSE+輸入在較低的LED電流下達到100mV。當(dāng)模擬控制輸入降至大約1.1V時，U1輸出增加到80mV，LED電流降至1.5A。

　　PWM調(diào)光

　　在PWM處于關(guān)閉狀態(tài)時，LED輸出端的MOSFET Q9導(dǎo)通，LED短路。LED電流降至零，具體取決于Q1的導(dǎo)通時間(本設(shè)計中遠遠小于1µs)。PWM處于關(guān)閉期間始終保持電感電流。PWM開始導(dǎo)通時，Q1關(guān)閉，電感電流對輸出電容充電。輸出電壓一旦達到LED的起始導(dǎo)通電壓，LED電流開始上升。LED電流從0A上升到滿幅值的時間取決于幾個因素：電感電流、輸出電容以及LED的正向?qū)妷旱淖兓?。本參考設(shè)計僅在LED電流設(shè)定為6A時滿足 1µs LED開啟時間的要求。如需在降低的電流時得到快速的LED開啟時間，可增大電感值并減小輸出電容。

　　反饋補償

　　電阻R2和R23限制高頻電流環(huán)路的增益，補償次級諧波振蕩。在電流環(huán)路傳輸函數(shù)中遠遠低于單位增益頻率的位置設(shè)置一個零點，既可以保證在低頻區(qū)有足夠的增益，又可以保證電感電流的誤差非常小。利用C1、C19構(gòu)建該零點。在PWM關(guān)閉、導(dǎo)通時，Q1和Q2交替連接到RC網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)補償。本設(shè)計可保持C1、C19的電量，使PWM響應(yīng)更加迅速。

　　由于直接測量電感電流，驅(qū)動電路的傳輸函數(shù)中沒有輸出極點。外部電壓環(huán)路簡化成一個單極點系統(tǒng)，而電壓誤差放大器在設(shè)定頻率范圍內(nèi)確定這唯一極點。為了避免兩個反饋環(huán)路相互干擾，C21和C22將外部環(huán)路的單位增益頻率降至電流環(huán)路單位增益頻率的十分之一。Q7和Q10保持補償電容的電荷，保證在PWM脈沖變化時，電壓誤差放大器的輸出能即刻切換至所要求的數(shù)值。電阻R24、R25可避免Q7和Q10狀態(tài)變化產(chǎn)生的電荷注入而導(dǎo)致的C21、C22充/放電。

　LED電流上升/下降時間

　　本設(shè)計要求在PWM工作產(chǎn)生6A LED電流時，LED電流的上升/下降時間保持在1µs以內(nèi)。這就要求使用較小的輸出濾波電容和較大電感，在滿足LED電流最大紋波的要求的前提下滿足上述條件。PWM處于關(guān)閉狀態(tài)時，Q9導(dǎo)通，建立可編程的電感電流回路。如果LED電流設(shè)置為6A，電感電流將由MAX16821調(diào)整在6A。輸出再次導(dǎo)通時，電感電流對輸出電容C8充電。C8的充電速率決定了LED電流的上升時間，基于這一點計算C8的取值。因為Q9的放電速度遠快于C8，所以LED電流的下降時間遠遠小于1µs。

　　電路波形

　　圖3. 參考設(shè)計測試數(shù)據(jù)：LED電壓(CH1)、LED電流(CH2)和OUTV電壓(CH3)

　　圖4. 參考設(shè)計測試數(shù)據(jù)：LED電壓(CH1)、LED電流(CH2)和CLP電壓(CH3)