【图】用MAX16834设计高亮LED驱动器的方法
(2012/1/29 0:24:00)
用MAX16834设计高亮LED
驱动器的方法
用MAX16834设计高亮LED驱动器的方法
本参考设计用于buck-boost LED驱动器。设计采用电流模式高亮度LED驱动器MAX16834,利用MAX16834评估(EV)板实现此设计方案。本应用笔记提供设计说明、原理图、材料清单(BOM)以及性能数据。
该参考设计中,buck-boost转换器(以输入电压为参考)从7V至18V直流电源产生驱动4个白光LED (WLED)的350mA电流,设计采用MAX16834电流模式高亮度(HB) LED驱动器。
LED驱动器规范
输入电压:7V至18V
输入电压纹波:100mVP-P
LED电流:350mA
LED电流纹波:5% (最大值)
LED正向电压:3.5V (350mA时)
LED数量:4只(最大值)
输出过压保护:17.2V
输入端
VIN、PGND:电源输入
PWMDIM、SGND:PWM调光输入
输出端
LED+:连接LED阳极至LED+
LED-:连接LED阴极至LED-
详细电路(PDF, 60.64kB)
图1. MAX16834EVKIT用于实现参考设计的功能图2. LED驱动器原理图元件列表* (材料清单BOM)
Designator
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Quantity
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Description
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C1, C7, C8
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3
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2.2µF, 25V X7R, ceramic capacitor (0805)
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C2
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1
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2.2µF, 25V X7R, ceramic capacitor (0805)
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C11
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1
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10µF, 16V X7R, ceramic capacitor (1206)
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C3, C12, C14, C15
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4
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0.1µF, 16V X7R, ceramic capacitor (0603)
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C13
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1
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1.5nF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
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C16, C18
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2
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1nF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
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Cx
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1
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100pF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
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D1
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1
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MAZS0680ML, 6.8V Zener diode, SSMINI
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D2
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1
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B160B, 1A, 60V Schottky diode
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L1
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1
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MMS1038-223ML, 22µH, 2.34A inductor
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N1, N2
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2
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SI2318DS, 40V, 3A, n-channel MOSFET (SOT23)
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R1
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1
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34kΩ ±1% resistor (0402)
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R2
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1
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9.53kΩ ±1% resistor (0402)
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R7
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1
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2.2kΩ ±1% resistor (0805)
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R5
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1
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0.56kΩ ±1% resistor (0803)
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R9
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1
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0.15Ω ±1% resistor (0603)
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R10
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1
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310Ω ±1% resistor (0402)
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R11
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1
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243kΩ ±1% resistor (0402)
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R12
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1
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22.1kΩ ±1% resistor (0402)
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R13
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1
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13.1kΩ ±1% resistor (0402)
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R14
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1
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10kΩ ±% resistor (0402)
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R15
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1
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11kΩ ±1% resistor (0402)
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R16
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1
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23.2kΩ ±1% resistor (0402)
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R17
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1
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26.7kΩ ±1% resistor (0402)
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U1
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1
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MAX16834ATP+ 20-pin, 4mm x 4mm TQFN-EP
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*元件标识与MAX16834评估板一致。
详细说明
将boost转换器输出负端连接到输入电源正端,构成buck-boost转换器(以输入电压为参考)。
在此设计一款buck-boost转换器(以输入电压为参考),从7V至18V直流电源产生350mA电流,驱动4个白光LED (WLED) (每个WLED在350mA时的正向压降为3.5V)。MAX16834 HB LED驱动器集成了峰值电流模式
控制器,工作于CCM (连续导通模式),
开关频率为495kHz。开关频率通过R15电阻(11kΩ)设置。
输入、输出电压变化时,MAX16834控制电感的峰值电流,保证LED的电流为350mA。检测LED回路的电流检测电阻两端的电压,然后将其在内部放大9.9倍,这样可以减小检测电阻的阻值,从而提高效率。经过放大的电压与R16和R17设定的基准电压进行比较,其差值由一个
GM = 500µS的
跨导放大器进行放大,输出信号在COMP引脚产生控制电压,此电压设置电流环路的基准,这样,电感电流检测电阻R9两端的电压峰值最终成为此控制电压。
转换器设计
转换器设计参数如下:
输入电压范围:7V至18V
输入电压纹波:100mVP-P
LED正向最大电压:14V (即4 x 3.5V)
LED电流:350mA
LED电流纹波:5% (最大值)
开关频率:455kHz
按照式1
计算N2的最大占空比:
其中,V
LEDMAX是LED最大电压,V
INMIN是最低输入电压,V
D是二极管压降,V
DS是FET开关导通时的平均压降。
本应用中,D
MAX为0.69。
电感(L1)选择
选择电感,需要知道其电感量和峰值电流。峰值电感电流可用式2计算:
其中,I
LAVG为平均电感电流,ΔI
L为电感电流纹波,表示为平均电感电流的百分比:
允许电流纹波ΔI
L为30%,代入已知参数,可以得到:
最小电感量可由式5计算:
其中,f
SW为开关频率。考虑到20%的容差,可得L
MIN = 17µH,此处选择22µH电感。
开关检流电阻(R9)
正常工作时,开关检流电阻两端的电压最大值不应高于250mV,如果检流电阻的电压达到300mV (典型值),转换器将关断。R9上的电压决定了开关周期中导通脉冲的宽度,芯片内部提供了前沿屏蔽电路,可防止开关MOSFET提前关断。R9的计算如式6所示:
计算得到:R9 = 0.133Ω,这里R9选择0.15Ω。
斜率补偿电容(C13)
众所周知,在峰值电流模式控制中,CCM boost转换器的占空比超过50%时环路将出现不稳定,需要引入适当的斜率补偿,以消除由谐波分量引起的不稳定性。MAX16834具有内部斜坡发生器,用于斜率补偿。在每个开关周期开始时,斜坡电压复位,然后按外部电容C13设定的速率上升,C13由内部的100µA电流源进行充电,斜坡电压与R9两端的电压内部叠加。C13的计算如式7所示:
其中,V
SLOPE为:
从式7和式8可以得到:C13 = 1.57nF,实际选取1.5nF电容。
LED检流电阻(R5)
利用式9计算R5:
在此应用中,取V
REFI = 1.94V,得到:R5 = 0.56Ω。
滤波电容
输出电容C
OUT (C7与C8的并联电容)按式10计算:
其中,ΔV
LED为输出电压纹波的最大峰峰值,它取决于最大电流纹波和此电流下LED的动态阻抗。为延长LED使用寿命并保证其色度,LED上的纹波电流应小于其平均电流的5%。本应用中,计算得到C
OUT为3µF,故电容C7、C8均选用2.2µF/50V。
由式11计算输入电容(C1、C2的并联电容):
其中,ΔV
IN为输入电压纹波的峰峰值。
对于100mV的ΔV
IN,C
IN为1.9µF,所以选择C1为2.2µF/25V,C2为1.1µF/25V。
反馈补偿
Buck-boost转换器的传递函数在右半平面存在一个零点,可用式12计算:
本应用中,f
RHPZ在37.8kHz处,为了提供充分的相位裕量,保持环路稳定,在-20dB/十倍频程时,整个环路增益应在RHP零点频率的1/5之前达到0dB,由此可得截止频率f
C为7.56kHz。输出电容和负载等效输出阻抗会产生一个极点:
其中,R
O为负载等效阻抗,由下式确定:
从式14可得f
P1 = 4.7kHz。
接下来选择补偿元件R10和C12,它们需要在极点频率f
P1处产生一个零点,并调整f
P1处的环路增益,使之在f
C达到0dB。
利用式15计算R10:
从式15可得R10 = 341Ω,此处R10选择301Ω电阻;GM是内部跨导放大器的增益。
相应地,C12可以计算如下:
从式16可得C12 = 0.11µF,此处选用0.1µF电容。
数字PWM调光
MAX16834内部有一个用于PWM调光的MOSFET驱动器,它可以接受1.5V至5V的逻辑高电平PWM信号,信号频率从直流到20kHz,通过改变PWM信号的占空比调节LED亮度。
NDRV驱动器和跨导放大器输出由PWM信号控制,PWM信号为高时,NDRV使能,跨导放大器的输出端连接到COMP引脚;信号为低时,NDRV被禁止,跨导放大器的输出端断开,COMP端连接到PWM比较器反相输入端,该端为CMOS输入,可忽略其从补偿电容C12吸收的漏电流,故C12上电荷将保持,直到PWM变高。一旦信号变为高电平,NDRV将使能,放大器输出又连接到COMP端,从而快速建立稳定的工作状态。
LED开路保护
如果空载或发生LED开路故障,boost转换器将会产生很高的输出电压,该转换器可在发生这种高电压时关闭,电压门限通过R11和R12设定。R11和R12的分压点接到IC的OVP引脚,当该引脚电压达到1.435V (典型值)时,转换器将关闭。本设计中,R11和R12设定的LED开路保护点为输出电压达到17.2V。
用MAX16834评估板实现buck-boost转换器
MAX16834评估板上装配了boost转换器,可以通过增减下列元件,将其配置为buck-boost转换器:
移除电阻R4、R8。
把电阻R3换成0Ω。
按照BOM说明安装元件。
电路波形和性能数据
图3. N2栅极驱动电压图4. N2漏极电压图5. N2开关电流波形图6. LED电压图7. PWM调光占空比为50%时的LED电流波形图8. PWM调光占空比为90%时的LED电流波形图9. PWM调光占空比为10%时的LED电流波形
上电顺序
将4只串联的WLED的阳极连接到LED+焊盘,阴极连接到LED-焊盘。
输入电源连接到VIN和PGND焊盘之间。
将逻辑高电平为1.5V至5V的PWM信号(频率范围为100Hz至200kHz)连接到PWMDIM和SGND焊盘之间。
改变PWM信号占空比检验LED的亮度变化。