【圖】用MAX16834設(shè)計(jì)高亮LED驅(qū)動(dòng)器的方法
(2012/1/29 0:24:00)
用MAX16834設(shè)計(jì)高亮LED驅(qū)動(dòng)器的方法
用MAX16834設(shè)計(jì)高亮LED驅(qū)動(dòng)器的方法
詳細(xì)電路(PDF, 60.64kB)
圖1. MAX16834EVKIT用于實(shí)現(xiàn)參考設(shè)計(jì)的功能
圖2. LED驅(qū)動(dòng)器原理圖
元件列表* (材料清單BOM)
將boost轉(zhuǎn)換器輸出負(fù)端連接到輸入電源正端，構(gòu)成buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)。
在此設(shè)計(jì)一款buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)，從7V至18V直流電源產(chǎn)生350mA電流，驅(qū)動(dòng)4個(gè)白光LED (WLED) (每個(gè)WLED在350mA時(shí)的正向壓降為3.5V)。MAX16834 HB LED驅(qū)動(dòng)器集成了峰值電流模式控制器，工作于CCM (連續(xù)導(dǎo)通模式)，開(kāi)關(guān)頻率為495kHz。開(kāi)關(guān)頻率通過(guò)R15電阻(11kΩ)設(shè)置。
輸入、輸出電壓變化時(shí)，MAX16834控制電感的峰值電流，保證LED的電流為350mA。檢測(cè)LED回路的電流檢測(cè)電阻兩端的電壓，然后將其在內(nèi)部放大9.9倍，這樣可以減小檢測(cè)電阻的阻值，從而提高效率。經(jīng)過(guò)放大的電壓與R16和R17設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，其差值由一個(gè)GM = 500µS 的跨導(dǎo)放大器進(jìn)行放大，輸出信號(hào)在COMP引腳產(chǎn)生控制電壓，此電壓設(shè)置電流環(huán)路的基準(zhǔn)，這樣，電感電流檢測(cè)電阻R9兩端的電壓峰值最終成為此控制電壓。
轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
按照式1計(jì)算N2的最大占空比：
其中，VLEDMAX是LED最大電壓，VINMIN是最低輸入電壓，VD是二極管壓降，VDS是FET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的平均壓降。
本應(yīng)用中，DMAX為0.69。
選擇電感，需要知道其電感量和峰值電流。峰值電感電流可用式2計(jì)算：
其中，ILAVG為平均電感電流，ΔIL為電感電流紋波，表示為平均電感電流的百分比：
允許電流紋波ΔIL為30%，代入已知參數(shù)，可以得到：
最小電感量可由式5計(jì)算：
其中，fSW為開(kāi)關(guān)頻率。考慮到20%的容差，可得LMIN = 17µH，此處選擇22µH電感。
正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)檢流電阻兩端的電壓最大值不應(yīng)高于250mV，如果檢流電阻的電壓達(dá)到300mV (典型值)，轉(zhuǎn)換器將關(guān)斷。R9上的電壓決定了開(kāi)關(guān)周期中導(dǎo)通脈沖的寬度，芯片內(nèi)部提供了前沿屏蔽電路，可防止開(kāi)關(guān)MOSFET提前關(guān)斷。R9的計(jì)算如式6所示：
計(jì)算得到：R9 = 0.133Ω，這里R9選擇0.15Ω。
眾所周知，在峰值電流模式控制中，CCM boost轉(zhuǎn)換器的占空比超過(guò)50%時(shí)環(huán)路將出現(xiàn)不穩(wěn)定，需要引入適當(dāng)?shù)男甭恃a(bǔ)償，以消除由諧波分量引起的不穩(wěn)定性。MAX16834具有內(nèi)部斜坡發(fā)生器，用于斜率補(bǔ)償。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，斜坡電壓復(fù)位，然后按外部電容C13設(shè)定的速率上升，C13由內(nèi)部的100µA電流源進(jìn)行充電，斜坡電壓與R9兩端的電壓內(nèi)部疊加。C13的計(jì)算如式7所示：
其中，VSLOPE為：
從式7和式8可以得到：C13 = 1.57nF，實(shí)際選取1.5nF電容。
利用式9計(jì)算R5：
在此應(yīng)用中，取VREFI = 1.94V，得到：R5 = 0.56Ω。
輸出電容COUT (C7與C8的并聯(lián)電容)按式10計(jì)算：
其中，ΔVLED為輸出電壓紋波的最大峰峰值，它取決于最大電流紋波和此電流下LED的動(dòng)態(tài)阻抗。為延長(zhǎng)LED使用壽命并保證其色度，LED上的紋波電流應(yīng)小于其平均電流的5%。本應(yīng)用中，計(jì)算得到COUT為3µF，故電容C7、C8均選用2.2µF/50V。
由式11計(jì)算輸入電容(C1、C2的并聯(lián)電容)：
其中，ΔVIN為輸入電壓紋波的峰峰值。
對(duì)于100mV的ΔVIN，CIN為1.9µF，所以選擇C1為2.2µF/25V，C2為1.1µF/25V。
Buck-boost轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)在右半平面存在一個(gè)零點(diǎn)，可用式12計(jì)算：
本應(yīng)用中，fRHPZ在37.8kHz處，為了提供充分的相位裕量，保持環(huán)路穩(wěn)定，在-20dB/十倍頻程時(shí)，整個(gè)環(huán)路增益應(yīng)在RHP零點(diǎn)頻率的1/5之前達(dá)到0dB，由此可得截止頻率fC為7.56kHz。輸出電容和負(fù)載等效輸出阻抗會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)：
其中，RO為負(fù)載等效阻抗，由下式確定：
從式14可得fP1 = 4.7kHz。
接下來(lái)選擇補(bǔ)償元件R10和C12，它們需要在極點(diǎn)頻率fP1處產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，并調(diào)整fP1處的環(huán)路增益，使之在fC達(dá)到0dB。
利用式15計(jì)算R10：
從式15可得R10 = 341Ω，此處R10選擇301Ω電阻；GM是內(nèi)部跨導(dǎo)放大器的增益。
相應(yīng)地，C12可以計(jì)算如下：
從式16可得C12 = 0.11µF，此處選用0.1µF電容。
MAX16834內(nèi)部有一個(gè)用于PWM調(diào)光的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，它可以接受1.5V至5V的邏輯高電平PWM信號(hào)，信號(hào)頻率從直流到20kHz，通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)LED亮度。
NDRV驅(qū)動(dòng)器和跨導(dǎo)放大器輸出由PWM信號(hào)控制，PWM信號(hào)為高時(shí)，NDRV使能，跨導(dǎo)放大器的輸出端連接到COMP引腳；信號(hào)為低時(shí)，NDRV被禁止，跨導(dǎo)放大器的輸出端斷開(kāi)，COMP端連接到PWM比較器反相輸入端，該端為CMOS輸入，可忽略其從補(bǔ)償電容C12吸收的漏電流，故C12上電荷將保持，直到PWM變高。一旦信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑琋DRV將使能，放大器輸出又連接到COMP端，從而快速建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
如果空載或發(fā)生LED開(kāi)路故障，boost轉(zhuǎn)換器將會(huì)產(chǎn)生很高的輸出電壓，該轉(zhuǎn)換器可在發(fā)生這種高電壓時(shí)關(guān)閉，電壓門(mén)限通過(guò)R11和R12設(shè)定。R11和R12的分壓點(diǎn)接到IC的OVP引腳，當(dāng)該引腳電壓達(dá)到1.435V (典型值)時(shí)，轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉。本設(shè)計(jì)中，R11和R12設(shè)定的LED開(kāi)路保護(hù)點(diǎn)為輸出電壓達(dá)到17.2V。
MAX16834評(píng)估板上裝配了boost轉(zhuǎn)換器，可以通過(guò)增減下列元件，將其配置為buck-boost轉(zhuǎn)換器：
圖3. N2柵極驅(qū)動(dòng)電壓
圖4. N2漏極電壓
圖5. N2開(kāi)關(guān)電流波形
圖6. LED電壓
圖7. PWM調(diào)光占空比為50%時(shí)的LED電流波形
圖8. PWM調(diào)光占空比為90%時(shí)的LED電流波形
圖9. PWM調(diào)光占空比為10%時(shí)的LED電流波形
用MAX16834設(shè)計(jì)高亮LED驅(qū)動(dòng)器的方法
本參考設(shè)計(jì)用于buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器。設(shè)計(jì)采用電流模式高亮度LED驅(qū)動(dòng)器MAX16834，利用MAX16834評(píng)估(EV)板實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)方案。本應(yīng)用筆記提供設(shè)計(jì)說(shuō)明、原理圖、材料清單(BOM)以及性能數(shù)據(jù)。
該參考設(shè)計(jì)中，buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)從7V至18V直流電源產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)4個(gè)白光LED (WLED)的350mA電流，設(shè)計(jì)采用MAX16834電流模式高亮度(HB) LED驅(qū)動(dòng)器。
LED驅(qū)動(dòng)器規(guī)范
輸入電壓：7V至18V
輸入電壓紋波：100mVP-P
LED電流：350mA
LED電流紋波：5% (最大值)
LED正向電壓：3.5V (350mA時(shí))
LED數(shù)量：4只(最大值)
輸出過(guò)壓保護(hù)：17.2V
輸入端
VIN、PGND：電源輸入
PWMDIM、SGND：PWM調(diào)光輸入
輸出端
LED+：連接LED陽(yáng)極至LED+
LED-：連接LED陰極至LED-
詳細(xì)電路(PDF, 60.64kB)
圖1. MAX16834EVKIT用于實(shí)現(xiàn)參考設(shè)計(jì)的功能
圖2. LED驅(qū)動(dòng)器原理圖
元件列表* (材料清單BOM)
Designator
| Quantity
| Description
|
C1, C7, C8
| 3
| 2.2µF, 25V X7R, ceramic capacitor (0805)
|
C2
| 1
| 2.2µF, 25V X7R, ceramic capacitor (0805)
|
C11
| 1
| 10µF, 16V X7R, ceramic capacitor (1206)
|
C3, C12, C14, C15
| 4
| 0.1µF, 16V X7R, ceramic capacitor (0603)
|
C13
| 1
| 1.5nF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
|
C16, C18
| 2
| 1nF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
|
Cx
| 1
| 100pF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
|
D1
| 1
|  MAZS0680ML, 6.8V Zener diode, SSMINI
|
D2
| 1
| B160B, 1A, 60V Schottky diode
|
L1
| 1
| MMS1038-223ML, 22µH, 2.34A inductor
|
N1, N2
| 2
| SI2318DS, 40V, 3A, n-channel MOSFET (SOT23)
|
R1
| 1
| 34kΩ ±1% resistor (0402)
|
R2
| 1
| 9.53kΩ ±1% resistor (0402)
|
R7
| 1
| 2.2kΩ ±1% resistor (0805)
|
R5
| 1
| 0.56kΩ ±1% resistor (0803)
|
R9
| 1
| 0.15Ω ±1% resistor (0603)
|
R10
| 1
| 310Ω ±1% resistor (0402)
|
R11
| 1
| 243kΩ ±1% resistor (0402)
|
R12
| 1
| 22.1kΩ ±1% resistor (0402)
|
R13
| 1
| 13.1kΩ ±1% resistor (0402)
|
R14
| 1
| 10kΩ ±% resistor (0402)
|
R15
| 1
| 11kΩ ±1% resistor (0402)
|
R16
| 1
| 23.2kΩ ±1% resistor (0402)
|
R17
| 1
| 26.7kΩ ±1% resistor (0402)
|
U1
| 1
|  MAX16834ATP+ 20-pin, 4mm x 4mm TQFN-EP
|
*元件標(biāo)識(shí)與MAX16834評(píng)估板一致。
詳細(xì)說(shuō)明
將boost轉(zhuǎn)換器輸出負(fù)端連接到輸入電源正端，構(gòu)成buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)。
在此設(shè)計(jì)一款buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)，從7V至18V直流電源產(chǎn)生350mA電流，驅(qū)動(dòng)4個(gè)白光LED (WLED) (每個(gè)WLED在350mA時(shí)的正向壓降為3.5V)。MAX16834 HB LED驅(qū)動(dòng)器集成了峰值電流模式控制器，工作于CCM (連續(xù)導(dǎo)通模式)，開(kāi)關(guān)頻率為495kHz。開(kāi)關(guān)頻率通過(guò)R15電阻(11kΩ)設(shè)置。
輸入、輸出電壓變化時(shí)，MAX16834控制電感的峰值電流，保證LED的電流為350mA。檢測(cè)LED回路的電流檢測(cè)電阻兩端的電壓，然后將其在內(nèi)部放大9.9倍，這樣可以減小檢測(cè)電阻的阻值，從而提高效率。經(jīng)過(guò)放大的電壓與R16和R17設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，其差值由一個(gè)
轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
輸入電壓范圍：7V至18V
輸入電壓紋波：100mVP-P
LED正向最大電壓：14V (即4 x 3.5V)
LED電流：350mA
LED電流紋波：5% (最大值)
開(kāi)關(guān)頻率：455kHz
按照式1計(jì)算N2的最大占空比：
其中，VLEDMAX是LED最大電壓，VINMIN是最低輸入電壓，VD是二極管壓降，VDS是FET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的平均壓降。
本應(yīng)用中，DMAX為0.69。
電感(L1)選擇
選擇電感，需要知道其電感量和峰值電流。峰值電感電流可用式2計(jì)算：
其中，ILAVG為平均電感電流，ΔIL為電感電流紋波，表示為平均電感電流的百分比：
允許電流紋波ΔIL為30%，代入已知參數(shù)，可以得到：
最小電感量可由式5計(jì)算：
其中，fSW為開(kāi)關(guān)頻率。考慮到20%的容差，可得LMIN = 17µH，此處選擇22µH電感。
開(kāi)關(guān)檢流電阻(R9)
正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)檢流電阻兩端的電壓最大值不應(yīng)高于250mV，如果檢流電阻的電壓達(dá)到300mV (典型值)，轉(zhuǎn)換器將關(guān)斷。R9上的電壓決定了開(kāi)關(guān)周期中導(dǎo)通脈沖的寬度，芯片內(nèi)部提供了前沿屏蔽電路，可防止開(kāi)關(guān)MOSFET提前關(guān)斷。R9的計(jì)算如式6所示：
計(jì)算得到：R9 = 0.133Ω，這里R9選擇0.15Ω。
斜率補(bǔ)償電容(C13)
眾所周知，在峰值電流模式控制中，CCM boost轉(zhuǎn)換器的占空比超過(guò)50%時(shí)環(huán)路將出現(xiàn)不穩(wěn)定，需要引入適當(dāng)?shù)男甭恃a(bǔ)償，以消除由諧波分量引起的不穩(wěn)定性。MAX16834具有內(nèi)部斜坡發(fā)生器，用于斜率補(bǔ)償。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，斜坡電壓復(fù)位，然后按外部電容C13設(shè)定的速率上升，C13由內(nèi)部的100µA電流源進(jìn)行充電，斜坡電壓與R9兩端的電壓內(nèi)部疊加。C13的計(jì)算如式7所示：
其中，VSLOPE為：
從式7和式8可以得到：C13 = 1.57nF，實(shí)際選取1.5nF電容。
LED檢流電阻(R5)
利用式9計(jì)算R5：
在此應(yīng)用中，取VREFI = 1.94V，得到：R5 = 0.56Ω。
濾波電容
輸出電容COUT (C7與C8的并聯(lián)電容)按式10計(jì)算：
其中，ΔVLED為輸出電壓紋波的最大峰峰值，它取決于最大電流紋波和此電流下LED的動(dòng)態(tài)阻抗。為延長(zhǎng)LED使用壽命并保證其色度，LED上的紋波電流應(yīng)小于其平均電流的5%。本應(yīng)用中，計(jì)算得到COUT為3µF，故電容C7、C8均選用2.2µF/50V。
由式11計(jì)算輸入電容(C1、C2的并聯(lián)電容)：
其中，ΔVIN為輸入電壓紋波的峰峰值。
對(duì)于100mV的ΔVIN，CIN為1.9µF，所以選擇C1為2.2µF/25V，C2為1.1µF/25V。
反饋補(bǔ)償
Buck-boost轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)在右半平面存在一個(gè)零點(diǎn)，可用式12計(jì)算：
本應(yīng)用中，fRHPZ在37.8kHz處，為了提供充分的相位裕量，保持環(huán)路穩(wěn)定，在-20dB/十倍頻程時(shí)，整個(gè)環(huán)路增益應(yīng)在RHP零點(diǎn)頻率的1/5之前達(dá)到0dB，由此可得截止頻率fC為7.56kHz。輸出電容和負(fù)載等效輸出阻抗會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)：
其中，RO為負(fù)載等效阻抗，由下式確定：
從式14可得fP1 = 4.7kHz。
接下來(lái)選擇補(bǔ)償元件R10和C12，它們需要在極點(diǎn)頻率fP1處產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，并調(diào)整fP1處的環(huán)路增益，使之在fC達(dá)到0dB。
利用式15計(jì)算R10：
從式15可得R10 = 341Ω，此處R10選擇301Ω電阻；GM是內(nèi)部跨導(dǎo)放大器的增益。
相應(yīng)地，C12可以計(jì)算如下：
從式16可得C12 = 0.11µF，此處選用0.1µF電容。
數(shù)字PWM調(diào)光
MAX16834內(nèi)部有一個(gè)用于PWM調(diào)光的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，它可以接受1.5V至5V的邏輯高電平PWM信號(hào)，信號(hào)頻率從直流到20kHz，通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)LED亮度。
NDRV驅(qū)動(dòng)器和跨導(dǎo)放大器輸出由PWM信號(hào)控制，PWM信號(hào)為高時(shí)，NDRV使能，跨導(dǎo)放大器的輸出端連接到COMP引腳；信號(hào)為低時(shí)，NDRV被禁止，跨導(dǎo)放大器的輸出端斷開(kāi)，COMP端連接到PWM比較器反相輸入端，該端為CMOS輸入，可忽略其從補(bǔ)償電容C12吸收的漏電流，故C12上電荷將保持，直到PWM變高。一旦信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑琋DRV將使能，放大器輸出又連接到COMP端，從而快速建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
LED開(kāi)路保護(hù)
如果空載或發(fā)生LED開(kāi)路故障，boost轉(zhuǎn)換器將會(huì)產(chǎn)生很高的輸出電壓，該轉(zhuǎn)換器可在發(fā)生這種高電壓時(shí)關(guān)閉，電壓門(mén)限通過(guò)R11和R12設(shè)定。R11和R12的分壓點(diǎn)接到IC的OVP引腳，當(dāng)該引腳電壓達(dá)到1.435V (典型值)時(shí)，轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉。本設(shè)計(jì)中，R11和R12設(shè)定的LED開(kāi)路保護(hù)點(diǎn)為輸出電壓達(dá)到17.2V。
用MAX16834評(píng)估板實(shí)現(xiàn)buck-boost轉(zhuǎn)換器
MAX16834評(píng)估板上裝配了boost轉(zhuǎn)換器，可以通過(guò)增減下列元件，將其配置為buck-boost轉(zhuǎn)換器：
移除電阻R4、R8。
把電阻R3換成0Ω。
按照BOM說(shuō)明安裝元件。
電路波形和性能數(shù)據(jù)
圖3. N2柵極驅(qū)動(dòng)電壓
圖4. N2漏極電壓
圖5. N2開(kāi)關(guān)電流波形
圖6. LED電壓
圖7. PWM調(diào)光占空比為50%時(shí)的LED電流波形
圖8. PWM調(diào)光占空比為90%時(shí)的LED電流波形
圖9. PWM調(diào)光占空比為10%時(shí)的LED電流波形
上電順序
將4只串聯(lián)的WLED的陽(yáng)極連接到LED+焊盤(pán)，陰極連接到LED-焊盤(pán)。
輸入電源連接到VIN和PGND焊盤(pán)之間。
將邏輯高電平為1.5V至5V的PWM信號(hào)(頻率范圍為100Hz至200kHz)連接到PWMDIM和SGND焊盤(pán)之間。
改變PWM信號(hào)占空比檢驗(yàn)LED的亮度變化。
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