采用2 MHz單芯片降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動器消除PCB空間受限的困擾

簡介

隨著電子設(shè)備尺寸不斷縮小，它們的內(nèi)部電路必須同步縮小。產(chǎn)品小型化成為各行各業(yè)的顯著發(fā)展趨勢，這為工程師在空間受限的設(shè)計中完成合適的解決方案帶來了新的設(shè)計難題。

為了滿足緊湊型電子設(shè)備日益嚴格的尺寸要求，集成電路(IC)設(shè)計人員將外部元件集成到器件內(nèi)部，以最大程度地減少外部元件數(shù)量。在構(gòu)建所有電子設(shè)備所需的各種電路中，縮小DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸同樣極具挑戰(zhàn)性，因為它們無處不在（所有設(shè)備都需要電源），電源設(shè)計人員通常會面臨這樣一個現(xiàn)實，即縮小解決方案尺寸往往會對性能產(chǎn)生負面影響。

例如，能顯著節(jié)省PCB面積的一種方法是采用單芯片DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過精心選擇的電源開關(guān)器件集成到IC封裝之中，從而使所需外部元件減少為少量的無源器件。在許多情況下，與外部電源開關(guān)控制器設(shè)計相比，緊湊型設(shè)計最終會帶來不需要的結(jié)果，即在更小的空間中增加了功率損耗，從而產(chǎn)生更高的溫升。為了避免產(chǎn)生的熱量水平造成困擾，選擇合適的單片式DC-DC轉(zhuǎn)換器對于設(shè)計緊湊高效的電源系統(tǒng)至關(guān)重要。

圖1 這款基于LT3942的演示電路(DC2404A)展示了一種高性能、緊湊型DC-DC穩(wěn)壓器解決方案，專門用來在這種情況下驅(qū)動LED。

2 MHz單芯片4開關(guān)降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動器

LT3942 是ADI公司非常通用的單芯片降壓-升壓穩(wěn)壓器IC之一。該升壓-降壓轉(zhuǎn)換器能夠應(yīng)對在創(chuàng)建靈活緊湊的DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案的同時不會犧牲性能的挑戰(zhàn)。LT3942將四個40 V/2 A電源開關(guān)、兩個柵極驅(qū)動器自舉二極管及其所有的控制和驅(qū)動器電路集成到一個4 mm × 5 mm小型QFN封裝中。由于具有高達2 MHz工作開關(guān)頻率能力，因此可以最大程度地減小外部元件的尺寸，節(jié)省PCB空間，同時為各種DC-DC轉(zhuǎn)換器提供了高帶寬工作性能。

LT3942具有與 LT8390A / LT8391A 系列降壓-升壓控制器IC相同的峰值電流模式控制方案，并且能夠在2開關(guān)升壓、4開關(guān)降壓-升壓（升壓-降壓）和2開關(guān)降壓工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器監(jiān)測并比較其輸入和輸出電壓，以確定正確的工作模式。當PVIN:PVOUT的比率發(fā)生變化并迫使轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換模式時，LT3942保持穩(wěn)壓作用，同時可以在開關(guān)對之間智能切換控制。

除了通過多種PVIN:PVOUT組合來調(diào)節(jié)輸出電壓之外，LT3942還可以配置為調(diào)節(jié)輸入或輸出電流，以用于恒定電流調(diào)節(jié)應(yīng)用。來自ISMON引腳的電流監(jiān)控反饋提供了一個與實測電流成比例的緩沖電壓輸出，從而允許連接的電路監(jiān)控實測的電流水平。這種調(diào)節(jié)電流或電壓的能力使LT3942非常適合用作LED驅(qū)動器、緊湊型電池充電器、微型太陽能電池板供電的轉(zhuǎn)換器或通用穩(wěn)壓器。

圖2 DC2404A利用LT3942創(chuàng)建了一個緊湊型14 W LED驅(qū)動器應(yīng)用，可在寬輸入范圍提供穩(wěn)定的輸出電流。

14 V、1 A LED驅(qū)動器

圖1顯示了基于LT3942的緊湊型LED驅(qū)動器的完整評估電路。該解決方案能夠為四個（最高14 V）串聯(lián)的一串白光LED提供1 A電流。最大功率輸出的輸入電壓范圍為7 V至36 V，低工作電流時可降至4 V，非常適合未穩(wěn)壓的汽車輸入電源。該解決方案中的LT3942的工作開關(guān)頻率為2 MHz，因此可以使用相對較小的電感和電容。所以完整的LED驅(qū)動器解決方案適合15 mm × 15mm 的PCB尺寸，所有元件都位于電路板的同一面（包括IC）。

該解決方案還具有高帶寬工作性能，可以快速調(diào)節(jié)輸出電流。當在降壓模式下工作時，LT3942使用外部PWM源對LED進行100 Hz無閃爍調(diào)光，從而實現(xiàn)高達5000:1的調(diào)光比。 

如果沒有外部PWM源，也可以使用其內(nèi)部PWM調(diào)光功能實現(xiàn)LT3942調(diào)光。內(nèi)部調(diào)光提供高達128:1的調(diào)光功能，無需任何外部PWM信號源，僅需一個電阻即可設(shè)置調(diào)光頻率，以及一個直流電壓來控制輸出電流的占空比。與大多數(shù)Power by Linear?的LED驅(qū)動器一樣，LT3942還具有模擬調(diào)光功能，通過在CTRL引腳上施加直流電壓可提供高達20:1的模擬調(diào)光?？梢詫⒛M和PWM調(diào)光組合使用，以實現(xiàn)比單獨使用任何一種方法更高的有效調(diào)光比。

圖3 LT3942的高帶寬工作性能有助于LED照明應(yīng)用在寬動態(tài)亮度范圍內(nèi)實現(xiàn)高比率PWM調(diào)光。無需EMI濾波器，DC2404A在120 Hz時可實現(xiàn)高達4000:1的調(diào)光，而在100 Hz時則可實現(xiàn)高達5000:1的調(diào)光。

展頻用于降低EMI峰值

為了幫助創(chuàng)建一個低噪聲DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，LT3942內(nèi)置一個可選展頻(SSFM)功能。SSFM一旦啟用，會在由RT電阻設(shè)置的值至高達25%的額外開關(guān)頻率之間掃描開關(guān)頻率。該掃描動作可以在寬頻譜范圍內(nèi)分散由開關(guān)引起的輻射，而不是將這些輻射集中在窄帶中，從而降低整體的EMI峰值。SSFM與輸入和輸出EMI濾波器結(jié)合使用時，有助于降低寬頻率范圍內(nèi)的EMI，從而更易于設(shè)計符合輻射標準的系統(tǒng)。

12 V、1 A穩(wěn)壓器

LT3942不只限于驅(qū)動LED。它是一款功能強大的緊湊型穩(wěn)壓器，非常適合解決從寬范圍未穩(wěn)壓電源產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的問題。圖4中所示的12 V、1 A穩(wěn)壓器設(shè)計與圖2中的14 W LED驅(qū)動器解決方案相似，但做了一些小改動。與LED驅(qū)動器應(yīng)用一樣，穩(wěn)壓器可以在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)維持輸出調(diào)節(jié)，可在電壓低至7 V的條件下提供全輸出功率，并在電壓低至4 V的條件下維持低輸出功率工作。

圖4中的效率曲線表明，即使工作開關(guān)頻率為2 MHz時，LT3942 12 V穩(wěn)壓器也具有接近95%的出色峰值效率，而在其大多數(shù)輸入電壓范圍內(nèi)的效率為85%或更高。即使以其總輸出功率的十分之一為其輸出供電，也可保持80%以上的效率，這表明該器件在輕負載條件下仍可高效運行。

LT3942的電流檢測和控制特性使其不僅適合于LED調(diào)光控制，而且也能在需要電壓調(diào)節(jié)和電流控制的其他情況下出色地工作。將檢測電阻配置在輸出端時，可以很輕松地將LT3942配置用作緊湊型恒流、恒壓電池充電器。對于具有嚴格輸入電流限制的應(yīng)用，例如由小型電池、電容組或光伏電池供電的電路，可以將監(jiān)測電阻移至穩(wěn)壓器的輸入側(cè)，從而為系統(tǒng)提供輸入電流限制和監(jiān)控。LT3942可從CC模式無縫轉(zhuǎn)換為CV模式（反之亦然），確保輸入和/或輸出始終穩(wěn)定。