【圖】用MAX16834設計高亮LED驅動器的方法
(2012/1/29 0:24:00)
用MAX16834設計高亮LED驅動器的方法
用MAX16834設計高亮LED驅動器的方法
詳細電路(PDF, 60.64kB)
圖1. MAX16834EVKIT用于實現參考設計的功能
圖2. LED驅動器原理圖
元件列表* (材料清單BOM)
將boost轉換器輸出負端連接到輸入電源正端，構成buck-boost轉換器(以輸入電壓為參考)。
在此設計一款buck-boost轉換器(以輸入電壓為參考)，從7V至18V直流電源產生350mA電流，驅動4個白光LED (WLED) (每個WLED在350mA時的正向壓降為3.5V)。MAX16834 HB LED驅動器集成了峰值電流模式控制器，工作于CCM (連續導通模式)，開關頻率為495kHz。開關頻率通過R15電阻(11kΩ)設置。
輸入、輸出電壓變化時，MAX16834控制電感的峰值電流，保證LED的電流為350mA。檢測LED回路的電流檢測電阻兩端的電壓，然后將其在內部放大9.9倍，這樣可以減小檢測電阻的阻值，從而提高效率。經過放大的電壓與R16和R17設定的基準電壓進行比較，其差值由一個GM = 500µS 的跨導放大器進行放大，輸出信號在COMP引腳產生控制電壓，此電壓設置電流環路的基準，這樣，電感電流檢測電阻R9兩端的電壓峰值最終成為此控制電壓。
轉換器設計參數如下：
按照式1計算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開關導通時的平均壓降。
本應用中，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，可以得到：
最小電感量可由式5計算：
其中，fSW為開關頻率。考慮到20%的容差，可得LMIN = 17µH，此處選擇22µH電感。
正常工作時，開關檢流電阻兩端的電壓最大值不應高于250mV，如果檢流電阻的電壓達到300mV (典型值)，轉換器將關斷。R9上的電壓決定了開關周期中導通脈沖的寬度，芯片內部提供了前沿屏蔽電路，可防止開關MOSFET提前關斷。R9的計算如式6所示：
計算得到：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轉換器的占空比超過50%時環路將出現不穩定，需要引入適當的斜率補償，以消除由諧波分量引起的不穩定性。MAX16834具有內部斜坡發生器，用于斜率補償。在每個開關周期開始時，斜坡電壓復位，然后按外部電容C13設定的速率上升，C13由內部的100µA電流源進行充電，斜坡電壓與R9兩端的電壓內部疊加。C13的計算如式7所示：
其中，VSLOPE為：
從式7和式8可以得到：C13 = 1.57nF，實際選取1.5nF電容。
利用式9計算R5：
在此應用中，取VREFI = 1.94V，得到：R5 = 0.56Ω。
輸出電容COUT (C7與C8的并聯電容)按式10計算：
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的動態阻抗。為延長LED使用壽命并保證其色度，LED上的紋波電流應小于其平均電流的5%。本應用中，計算得到COUT為3µF，故電容C7、C8均選用2.2µF/50V。
由式11計算輸入電容(C1、C2的并聯電容)：
其中，ΔVIN為輸入電壓紋波的峰峰值。
對于100mV的ΔVIN，CIN為1.9µF，所以選擇C1為2.2µF/25V，C2為1.1µF/25V。
Buck-boost轉換器的傳遞函數在右半平面存在一個零點，可用式12計算：
本應用中，fRHPZ在37.8kHz處，為了提供充分的相位裕量，保持環路穩定，在-20dB/十倍頻程時，整個環路增益應在RHP零點頻率的1/5之前達到0dB，由此可得截止頻率fC為7.56kHz。輸出電容和負載等效輸出阻抗會產生一個極點：
其中，RO為負載等效阻抗，由下式確定：
從式14可得fP1 = 4.7kHz。
接下來選擇補償元件R10和C12，它們需要在極點頻率fP1處產生一個零點，并調整fP1處的環路增益，使之在fC達到0dB。
利用式15計算R10：
從式15可得R10 = 341Ω，此處R10選擇301Ω電阻；GM是內部跨導放大器的增益。
相應地，C12可以計算如下：
從式16可得C12 = 0.11µF，此處選用0.1µF電容。
MAX16834內部有一個用于PWM調光的MOSFET驅動器，它可以接受1.5V至5V的邏輯高電平PWM信號，信號頻率從直流到20kHz，通過改變PWM信號的占空比調節LED亮度。
NDRV驅動器和跨導放大器輸出由PWM信號控制，PWM信號為高時，NDRV使能，跨導放大器的輸出端連接到COMP引腳；信號為低時，NDRV被禁止，跨導放大器的輸出端斷開，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。一旦信號變為高電平，NDRV將使能，放大器輸出又連接到COMP端，從而快速建立穩定的工作狀態。
如果空載或發生LED開路故障，boost轉換器將會產生很高的輸出電壓，該轉換器可在發生這種高電壓時關閉，電壓門限通過R11和R12設定。R11和R12的分壓點接到IC的OVP引腳，當該引腳電壓達到1.435V (典型值)時，轉換器將關閉。本設計中，R11和R12設定的LED開路保護點為輸出電壓達到17.2V。
MAX16834評估板上裝配了boost轉換器，可以通過增減下列元件，將其配置為buck-boost轉換器：
圖3. N2柵極驅動電壓
圖4. N2漏極電壓
圖5. N2開關電流波形
圖6. LED電壓
圖7. PWM調光占空比為50%時的LED電流波形
圖8. PWM調光占空比為90%時的LED電流波形
圖9. PWM調光占空比為10%時的LED電流波形
用MAX16834設計高亮LED驅動器的方法
本參考設計用于buck-boost LED驅動器。設計采用電流模式高亮度LED驅動器MAX16834，利用MAX16834評估(EV)板實現此設計方案。本應用筆記提供設計說明、原理圖、材料清單(BOM)以及性能數據。
該參考設計中，buck-boost轉換器(以輸入電壓為參考)從7V至18V直流電源產生驅動4個白光LED (WLED)的350mA電流，設計采用MAX16834電流模式高亮度(HB) LED驅動器。
LED驅動器規范
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)
LED數量：4只(最大值)
輸出過壓保護：17.2V
輸入端
VIN、PGND：電源輸入
PWMDIM、SGND：PWM調光輸入
輸出端
LED+：連接LED陽極至LED+
LED-：連接LED陰極至LED-
詳細電路(PDF, 60.64kB)
圖1. MAX16834EVKIT用于實現參考設計的功能
圖2. LED驅動器原理圖
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
|
*元件標識與MAX16834評估板一致。
詳細說明
將boost轉換器輸出負端連接到輸入電源正端，構成buck-boost轉換器(以輸入電壓為參考)。
在此設計一款buck-boost轉換器(以輸入電壓為參考)，從7V至18V直流電源產生350mA電流，驅動4個白光LED (WLED) (每個WLED在350mA時的正向壓降為3.5V)。MAX16834 HB LED驅動器集成了峰值電流模式控制器，工作于CCM (連續導通模式)，開關頻率為495kHz。開關頻率通過R15電阻(11kΩ)設置。
輸入、輸出電壓變化時，MAX16834控制電感的峰值電流，保證LED的電流為350mA。檢測LED回路的電流檢測電阻兩端的電壓，然后將其在內部放大9.9倍，這樣可以減小檢測電阻的阻值，從而提高效率。經過放大的電壓與R16和R17設定的基準電壓進行比較，其差值由一個
轉換器設計
轉換器設計參數如下：
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)
開關頻率：455kHz
按照式1計算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開關導通時的平均壓降。
本應用中，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，可以得到：
最小電感量可由式5計算：
其中，fSW為開關頻率。考慮到20%的容差，可得LMIN = 17µH，此處選擇22µH電感。
開關檢流電阻(R9)
正常工作時，開關檢流電阻兩端的電壓最大值不應高于250mV，如果檢流電阻的電壓達到300mV (典型值)，轉換器將關斷。R9上的電壓決定了開關周期中導通脈沖的寬度，芯片內部提供了前沿屏蔽電路，可防止開關MOSFET提前關斷。R9的計算如式6所示：
計算得到：R9 = 0.133Ω，這里R9選擇0.15Ω。
斜率補償電容(C13)
眾所周知，在峰值電流模式控制中，CCM boost轉換器的占空比超過50%時環路將出現不穩定，需要引入適當的斜率補償，以消除由諧波分量引起的不穩定性。MAX16834具有內部斜坡發生器，用于斜率補償。在每個開關周期開始時，斜坡電壓復位，然后按外部電容C13設定的速率上升，C13由內部的100µA電流源進行充電，斜坡電壓與R9兩端的電壓內部疊加。C13的計算如式7所示：
其中，VSLOPE為：
從式7和式8可以得到：C13 = 1.57nF，實際選取1.5nF電容。
LED檢流電阻(R5)
利用式9計算R5：
在此應用中，取VREFI = 1.94V，得到：R5 = 0.56Ω。
濾波電容
輸出電容COUT (C7與C8的并聯電容)按式10計算：
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的動態阻抗。為延長LED使用壽命并保證其色度，LED上的紋波電流應小于其平均電流的5%。本應用中，計算得到COUT為3µF，故電容C7、C8均選用2.2µF/50V。
由式11計算輸入電容(C1、C2的并聯電容)：
其中，ΔVIN為輸入電壓紋波的峰峰值。
對于100mV的ΔVIN，CIN為1.9µF，所以選擇C1為2.2µF/25V，C2為1.1µF/25V。
反饋補償
Buck-boost轉換器的傳遞函數在右半平面存在一個零點，可用式12計算：
本應用中，fRHPZ在37.8kHz處，為了提供充分的相位裕量，保持環路穩定，在-20dB/十倍頻程時，整個環路增益應在RHP零點頻率的1/5之前達到0dB，由此可得截止頻率fC為7.56kHz。輸出電容和負載等效輸出阻抗會產生一個極點：
其中，RO為負載等效阻抗，由下式確定：
從式14可得fP1 = 4.7kHz。
接下來選擇補償元件R10和C12，它們需要在極點頻率fP1處產生一個零點，并調整fP1處的環路增益，使之在fC達到0dB。
利用式15計算R10：
從式15可得R10 = 341Ω，此處R10選擇301Ω電阻；GM是內部跨導放大器的增益。
相應地，C12可以計算如下：
從式16可得C12 = 0.11µF，此處選用0.1µF電容。
數字PWM調光
MAX16834內部有一個用于PWM調光的MOSFET驅動器，它可以接受1.5V至5V的邏輯高電平PWM信號，信號頻率從直流到20kHz，通過改變PWM信號的占空比調節LED亮度。
NDRV驅動器和跨導放大器輸出由PWM信號控制，PWM信號為高時，NDRV使能，跨導放大器的輸出端連接到COMP引腳；信號為低時，NDRV被禁止，跨導放大器的輸出端斷開，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。一旦信號變為高電平，NDRV將使能，放大器輸出又連接到COMP端，從而快速建立穩定的工作狀態。
LED開路保護
如果空載或發生LED開路故障，boost轉換器將會產生很高的輸出電壓，該轉換器可在發生這種高電壓時關閉，電壓門限通過R11和R12設定。R11和R12的分壓點接到IC的OVP引腳，當該引腳電壓達到1.435V (典型值)時，轉換器將關閉。本設計中，R11和R12設定的LED開路保護點為輸出電壓達到17.2V。
用MAX16834評估板實現buck-boost轉換器
MAX16834評估板上裝配了boost轉換器，可以通過增減下列元件，將其配置為buck-boost轉換器：
移除電阻R4、R8。
把電阻R3換成0Ω。
按照BOM說明安裝元件。
電路波形和性能數據
圖3. N2柵極驅動電壓
圖4. N2漏極電壓
圖5. N2開關電流波形
圖6. LED電壓
圖7. PWM調光占空比為50%時的LED電流波形
圖8. PWM調光占空比為90%時的LED電流波形
圖9. PWM調光占空比為10%時的LED電流波形
上電順序
將4只串聯的WLED的陽極連接到LED+焊盤，陰極連接到LED-焊盤。
輸入電源連接到VIN和PGND焊盤之間。
將邏輯高電平為1.5V至5V的PWM信號(頻率范圍為100Hz至200kHz)連接到PWMDIM和SGND焊盤之間。
改變PWM信號占空比檢驗LED的亮度變化。
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