降壓型LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案

概述

　　本參考設(shè)計(jì)針對(duì)便攜式投影儀的6A降壓型LED驅(qū)動(dòng)器，參考設(shè)計(jì)基于PWM HB LED驅(qū)動(dòng)器MAX16821，該電路可驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED;驅(qū)動(dòng)RGB三色LED時(shí)需要使用三片MAX16821。

　　LED驅(qū)動(dòng)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(duì)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(shí)間： 1us 。

　　最大LED電流紋波：6A時(shí)， 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(dòng)器;J8短路時(shí)禁止電路板工作。

　　PWM輸入(J7)：PWM調(diào)光輸入，連接一個(gè)幅度為3V至5V的PWM信號(hào)。為了保證PWM輸入能夠驅(qū)動(dòng)Q1和Q7，信號(hào)源在驅(qū)動(dòng)300pF負(fù)載時(shí)，上升/下降時(shí)間應(yīng)小于500NS。由于輸出信號(hào)的上升/下降時(shí)間控制在1?s以內(nèi)，任何周期為1?s的3至4倍的PWM信號(hào)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(gè)與LED電流成比例的信號(hào)。OUTV電壓為R9電壓的135倍。

　　圖1 MAX16821 LED驅(qū)動(dòng)器電路板

　　圖2 LED驅(qū)動(dòng)器電路板原理圖(點(diǎn)擊放大)

　　電路說明

　　LED驅(qū)動(dòng)器對(duì)10V至15V輸入電源電壓進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換，恒流驅(qū)動(dòng)一個(gè)正向?qū)妷簽?.5V至6V的LED。使用MAX16821 PWM HB LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)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(dòng)LED，開關(guān)頻率通過電阻R6 (200kΩ)設(shè)置為300kHz。

　　電路包含兩個(gè)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(hào)。EAOUT信號(hào)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(yùn)算放大器U1接受1.1V至2.8V的模擬輸入，驅(qū)動(dòng)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(dá)到6A時(shí)，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(shí)，R1和R22構(gòu)成的電阻分壓器將OUTV的電流檢測信號(hào)分壓，產(chǎn)生一個(gè)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(hào)是R9、R18電流檢測信號(hào)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(dá)到100mV。當(dāng)模擬控制輸入降至大約1.1V時(shí)，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(shí)，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(shí)間(本設(shè)計(jì)中遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1?s)。PWM處于關(guān)閉期間始終保持電感電流。PWM開始導(dǎo)通時(shí)，Q1關(guān)閉，電感電流對(duì)輸出電容充電。輸出電壓一旦達(dá)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(shí)間取決于幾個(gè)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(jì)僅在LED電流設(shè)定為6A時(shí)滿足 1?s LED開啟時(shí)間的要求。如需在降低的電流時(shí)得到快速的LED開啟時(shí)間，可增大電感值并減小輸出電容。

　　反饋補(bǔ)償

　　電阻R2和R23限制高頻電流環(huán)路的增益，補(bǔ)償次級(jí)諧波振蕩。在電流環(huán)路傳輸函數(shù)中遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單位增益頻率的位置設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)，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(diǎn)。在PWM關(guān)閉、導(dǎo)通時(shí)，Q1和Q2交替連接到RC網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)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(dòng)電路的傳輸函數(shù)中沒有輸出極點(diǎn)。外部電壓環(huán)路簡化成一個(gè)單極點(diǎn)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(diǎn)。為了避免兩個(gè)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(bǔ)償電容的電荷，保證在PWM脈沖變化時(shí)，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(shí)間

　　本設(shè)計(jì)要求在PWM工作產(chǎn)生6A LED電流時(shí)，LED電流的上升/下降時(shí)間保持在1?s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(shí)，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(shí)，電感電流對(duì)輸出電容C8充電。C8的充電速率決定了LED電流的上升時(shí)間，基于這一點(diǎn)計(jì)算C8的取值。因?yàn)镼9的放電速度遠(yuǎn)快于C8，所以LED電流的下降時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1?s。

　　電路波形

　　溫度測量

　　VIN：10V

　　Iout：6A

　　TA：25°C

　　電路板溫度：+50°C

　　Q3、Q4和Q9溫度：+52°C

　　U1表面溫度：+47.5C

　　L1磁芯溫度：+75°C (電流為5.8A時(shí)，L1溫度高出環(huán)境溫度40°C)

　　上電順序

　　在VIN+和GND之間連接0至20V、5A電源(PS1)。

　　在J6 (V_CONTROL)連接0至5V電源(PS2)。

　　將額定值大于6A的LED通過盡可能短的連線連接到LED+和LED-，以降低引線電感。如果需要較長連線，請(qǐng)務(wù)必使用雙絞線連接。

　　J5、J8保持開路。

　　打開PS2電源，輸出1.1V。

　　逐漸增大PS1電源輸出，達(dá)到10V。LED被點(diǎn)亮，工作在1.5A連續(xù)電流。

　　將一個(gè)幅度為3V至5V、30%占空比的信號(hào)連接至PWM引腳。LED電流將由PWM信號(hào)控制通、斷。

　　將PS2輸出電壓從1.1V調(diào)整到2.8V。在PWM處于導(dǎo)通期間，LED電流從1.5A上升到6A。