基于LT3743 LED驅(qū)動器新型調(diào)光方案詳解

在許多照明應(yīng)用中,人們都采用了能夠產(chǎn)生已調(diào)大電流脈沖的功率 驅(qū)動 器,從DLP 投影機 中的大電流 led 到高功率激光 二極管等等。例如：在高端視頻投影機中,高功率 LED 用于產(chǎn)生彩色照明。這些投影機中的RGB LED 需要精準的調(diào)光控制以實現(xiàn)準確的彩色混合 ── 在該場合中,除了簡單的 PWM 調(diào)光以外,還能夠提供更多的控制功能。通常,為了實現(xiàn)彩色混合中所要求的寬動態(tài)范圍,LED 驅(qū)動器必須要能夠在兩種完全不同的已調(diào)峰值電流狀態(tài)之間快速切換,并疊加 PWM 調(diào)光而不造成任何損壞。LT3743 能夠滿足這些苛刻的準確度和速度要求。

　　LT3743 是一款同步降壓型 DC/DC 控制器 ,它運用固定頻率、平均電流模式控制,以通過一個與電感 器相串聯(lián)的檢測電阻器準確地調(diào)節(jié)電感器電流。在一個 0V 至“低于輸入電壓軌 2V”的輸出電壓范圍內(nèi),LT3743 能夠以 ±6% 的準確度來調(diào)節(jié)任意負載中的電流。

　　通過把準確的模擬調(diào)光 (高光度狀態(tài)和低光度狀態(tài)) 與 PWM 調(diào)光組合起來,實現(xiàn)了精準、寬范圍的 LED 電流控制。模擬調(diào)光通過 CTRL_L、CTRL_H 和 CTRL_T 引腳來控制;PWM 調(diào)光則通過 PWM 和 CTRL_SEL 引腳來控制。通過采用在外部進行開關(guān) 操作的負載電容器這種獨特的做法,LT3743 實現(xiàn)了高和低模擬狀態(tài)之間的快速變換,從而能夠在幾 μs 的時間內(nèi)改變已調(diào) LED 電流水平。開關(guān)頻率可以在 200kHz 至 1MHz 的范圍內(nèi)進行設(shè)置 (通過采用一個外部電阻器) 和同步至一個頻率范圍為300kHz 至1MHz 的外部時鐘 。

　　開關(guān)輸出電容器拓撲結(jié)構(gòu)

　　在傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器中,負載兩端的電壓存儲于輸出電容器之中。如果負載電流突然改變,則輸出電容器中的電壓必須進行充電或放電以與新的已調(diào)電流相匹配。在轉(zhuǎn)換期間,負載中的電流未得到良好的控制,因而導致了緩慢的負載電流響應(yīng)時間。

　　LT3743 通過采用一種獨特的開關(guān)輸出電容器拓撲結(jié)構(gòu)解決了這一問題,該拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了超快的負載電流上升和下降時間。這種拓撲結(jié)構(gòu)背后的基本概念是：LT3743 起一個已調(diào)電流源的作用,負責向負載提供驅(qū)動電流。對于某個給定的電流,負載兩端的電壓降存儲于第一個開關(guān)輸出電容器中。當需要一種不同的已調(diào)電流狀態(tài)時,將第一個輸出電容器關(guān)斷,并接通第二個電容器。這使得每個電容器能夠存儲與期望已調(diào)電流相對應(yīng)的負載電壓降。

　　圖 1 示出了具有各種控制引腳的基本拓撲結(jié)構(gòu)。PWM 和 CTRL_SEL 引腳為數(shù)字控制引腳,用于確定已調(diào)電流的狀態(tài)。CTRL_H 和 CTRL_L 引腳是具有一個 0V 至 1.5V 全標度范圍的模擬輸入,可在電流檢測電阻器兩端產(chǎn)生一個 0mV 至 50mV 的已調(diào)電壓。

　　圖 1：基本的開關(guān)電容器拓撲結(jié)構(gòu)

　　圖 2 示出了對應(yīng)于 PWM 和 CTRL_SEL 引腳各種不同狀態(tài)的定時波形。當 PWM 為低電平時,所有的開關(guān)操作將被終止,而且兩個輸出電容器均與負載斷接。

　　圖2：LED 電流 PWM 和 CTRL_SEL 調(diào)光

　　盡管 LT3743 可以采用開關(guān)輸出電容器來配置,但它能夠很容易地適應(yīng)任何傳統(tǒng)的模擬和/或 PWM 調(diào)光方案。

　　開關(guān)周期同步

　　LT3743 使所有的開關(guān)脈沖邊沿同步至 PWM 和 CTRL_SEL 上升沿。同步賦予了系統(tǒng)設(shè)計師采用任意周期或非周期 PWM 調(diào)光脈沖寬度和占空比的自由度。對于大電流 LED 驅(qū)動器而言,這是從零電流或低電流狀態(tài)恢復至高電流狀態(tài)過程中必不可少的特點。通過在 CTRL_SEL 或 PWM 信號變至高電平時重新起動時鐘,電感器電流將立即開始斜坡上升,而無須等待一個時鐘上升沿。未采用同步時,時鐘脈沖沿和 PWM 脈沖沿的相位關(guān)系將不受控制,因而有可能在 LED 光輸出中引起明顯的抖動。當采用一個具 SYNC 引腳的外部時鐘時,開關(guān)周期將在 8 個開關(guān)周期之內(nèi)重新同步至外部時鐘。

　　一款適合高端 DLP 投影機、采用開關(guān)輸出電容器的 24V、20A LED 驅(qū)動器。高端 DLP 投影機要求極高質(zhì)量的圖像和彩色重現(xiàn)。為了實現(xiàn)高的彩色準確度,各個 LED 當中的彩色偏差是通過混入其他兩個彩色 LED 的色彩來校正的。例如：當紅光 LED 處于滿電流導通狀態(tài)時,藍光 和綠光 LED 將以低電流水平接通,這樣它們就能夠被混入以產(chǎn)生準確的紅光。這種方法需要具備在較低 (約 2A) 和較高 (約 20A) LED 電流之間進行快速轉(zhuǎn)換的能力,以保持 PWM 調(diào)光脈沖沿。圖 3 示出了一款專供高端 DLP 投影機使用的 24V/20A LED 驅(qū)動器。

　　圖3：采用開關(guān)輸出電容器的 24V/20A LED 驅(qū)動器

　　450kHz 的較低開關(guān)頻率允許使用一個非常小的 1.0μH 電感器。在 25% 紋波 電流條件下,高電流狀態(tài)與低電流狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時間大約為 2μs。1mF 的大輸出電容器存儲了兩種不同電流狀態(tài)下 LED 兩端的電壓降,并提供了 MOSFET 調(diào)光開關(guān)接通時的瞬時電流。對于實現(xiàn)快速 LED 電流轉(zhuǎn)換來說,采用幾個并聯(lián)的低 ESR 電容器是至關(guān)緊要的。

　　已調(diào)高電流和低電流由連接在 VREF 引腳與 CTRL_L 和CTRL_H 引腳之間的分壓器來設(shè)定。VREF 引腳上的 ±2%、2V 基準還用于提供溫度降額電路施加在 CTRL_T 引腳上的基準信號 (見下文中的“LED 電流的熱降額”)。

　　為了減小有可能很大的啟動電流,LT3473 采用了一種可壓制已調(diào)電流的獨特軟起動電路,從而在軟起動引腳充電至 1.5V 時提供全驅(qū)動。為了最大限度地縮短不同電流水平之間的轉(zhuǎn)換時間,LT3743 運用了針對每種電流水平的單獨補償,這樣電流控制環(huán)路就可以盡可能快地恢復穩(wěn)態(tài)操作。圖 4 示出了從 0A～2A 至 20A 的 LED 電流階躍。

　　圖4：0A ~ 2A 至 20A 的 LED 電流階躍

　　寬PWM 占空比范圍內(nèi)的高效率

　　在便攜式 DLP 投影機中,功率耗散是一個極其重要的設(shè)計參數(shù)。與目前市面上銷售的許多并聯(lián)型大電流 LED 驅(qū)動器不同,LT3743 在一個寬 PWM 占空比范圍內(nèi)擁有卓越的效率。通過只把功率輸送至負載,而不是將功率旁路掉或者給輸出電容器充電,常見的傳統(tǒng) PWM 調(diào)光型驅(qū)動器中損失的大部分能量可以節(jié)省下來。圖 5 示出了當 VIN = 12V、并以 0A 至 20A 電流驅(qū)動一個綠光 LED 時,整個占空比范圍內(nèi)的效率變化情況。

　　圖5：12V、20A PWM 調(diào)光效 率 (采用一個綠光LED)

　　停機和精準啟用

　　當輸送大負載電流時,執(zhí)行正確操作所需的電源 欠壓閉鎖 (UVLO) 遲滯值在很大程度上取決于電路板布局。為了獲得最大的靈活性,LT3743 具有一個精準的啟用門限,而且在 EN/UVLO 引腳電壓低于 1.55V 時將有一個 5.5μA 電流源流入該引腳。在輸入電源和地之間使用一個分壓器,即可給系統(tǒng)增加任意遲滯值。為了在便攜式應(yīng)用中實現(xiàn)節(jié)能,當 EN/UVLO 引腳電壓低于 0.5V 時,LT3743 將被完全停用,且電源電流將減小至 1μA 以下。

　　LED 電流的熱降額

　　當存在任何大電流負載時,對于保護昂貴的大電流 LED 和避免發(fā)生遍及整個系統(tǒng)的損壞而言,正確的熱管理是極為重要的。針對高和低控制電流,LT3743 采用 CTRL_T 引腳來減小負載中的有效已調(diào)電流。當 CTRL_T 引腳電壓低于 CTRL_L 或 CTRL_H 引腳上的控制電壓時,已調(diào)電流將被減小。溫度降額采用一個連接在 VREF 引腳和地之間的溫度相關(guān)電阻分壓器來設(shè)置。

　　輸出電壓保護

　　輸出電壓保護功能對于防止昂貴的投影機 LED 受損是很重要的。LT3743 利用 FB 引腳來提供一個針對輸出的已調(diào)電壓點。出于簡化系統(tǒng)設(shè)計的目的,LT3743 采用了一個內(nèi)部 1V 基準,以在 FB 引腳電壓達到 900mV 時緩緩地減小已調(diào)電流。

　　強大的柵極驅(qū)動器

　　為了提供足夠的驅(qū)動能力并減少大電流功率 MOSFET 中的開關(guān)損失,LT3743 采用了非常強大的開關(guān)MOSFET 驅(qū)動器。LG 和 HG PMOS 上拉驅(qū)動器的接通電阻通常為 2.5Ω。LG 和 HG NMOS 下拉驅(qū)動器的接通電阻一般小于 1.3Ω。在接通電阻如此之低的情況下,對于超過 20A 的應(yīng)用,可以將兩個大電流 MOSFET 并聯(lián)起來使用。目前市面上的大多數(shù) LED 驅(qū)動器未提供調(diào)光 MOSFET 所需的足夠柵極驅(qū)動能力,因而需要增設(shè)一個外部柵極驅(qū)動器。LT3743 將之集成在 PWMGL 和 PWMGH 驅(qū)動器中,并具有一個典型接通電阻為 2Ω 的 NMOS 下拉驅(qū)動器和一個典型接通電阻為 3.7Ω 的 PMOS 上拉驅(qū)動器,以驅(qū)動任何 5V 調(diào)光 MOSFET。

　　傳統(tǒng)的 PWM 調(diào)光

　　LT3743 適應(yīng)任何傳統(tǒng)的 PWM 調(diào)光方法。同類競爭 LED 驅(qū)動器所采用的并聯(lián)輸出調(diào)光會造成能量的浪費,而且在 LED 占空比低于約 50% 時效率欠佳。由于 LT3743 具有兩種電流調(diào)節(jié)水平,因此當分路被占用時已調(diào)電流可下降至零。即使在低 LED 占空比條件下,這也能提供出色的效率。

　　圖 6 示出了一款配置有一個電流受限并聯(lián)輸出的 2A LED 驅(qū)動器。請注意：CTRL_L 引腳連接至地,PWMGL 引腳用于驅(qū)動并聯(lián) MOSFET,而CTRL_SEL 引腳則用于調(diào)光。在 CTRL_L 引腳接地的情況下,當 CTRL_SEL 引腳為低電平時,則分路被占用,而且電感器中的電流被調(diào)節(jié)于 0A。當 CTRL_SEL 引腳為高電平時,并聯(lián) MOSFET 被關(guān)斷,且已調(diào)電流由 CTRL_H 引腳上的電壓來確定。圖 7 示出了采用一個 12V 輸入時的電流受限并聯(lián) PWM 調(diào)光。

　　圖 6：具電流受限并聯(lián)輸出的 6V 至 36V 輸入、2A LED 驅(qū)動器

　　圖7：0A 至 2A 電流受限并聯(lián)輸出 PWM 調(diào)光

　　除了并聯(lián)之外,LT3743 還可容易地通過配置以驅(qū)動與 LED 的負極相串聯(lián)的調(diào)光 MOSFET。當不需要多種電流狀態(tài)時,這是優(yōu)選的 PWM 調(diào)光方法。圖8 示出了一款采用轉(zhuǎn)換負極 PWM 調(diào)光的 6V 至 30V、20A LED 驅(qū)動器。圖 9 示出了 0A 至 20A 電流階躍和 100:1 調(diào)光比條件下的轉(zhuǎn)換負極 PWM 調(diào)光。

　　圖8：采用轉(zhuǎn)換負極 PWM 調(diào)光的 6V 至 30V、20A LED 驅(qū)動器

　　圖9：0A 至 20A 轉(zhuǎn)換負極 PWM 調(diào)光

　　結(jié)論

　　LT3743 實現(xiàn)了超快的大電流 LED 上升時間,并提供了準確的電流調(diào)節(jié)。由于它具備支持多種電流狀態(tài)的能力,因此通過實現(xiàn) LED 彩色的簡易混合而滿足了高性能影院級 DLP 投影機的要求。除了速度以外,通過允許使用一個緊湊型低值電感器,LT3743 的開關(guān)電容拓撲結(jié)構(gòu)還縮減了電路板的外形尺寸。其他特點包括開關(guān)周期同步、過壓保護、高效率以及輕松適應(yīng)各種應(yīng)用需求的能力。