采用MAX25014的LED背光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的低輸入電壓工作

本應(yīng)用筆記描述了MAX25014 4通道背光高亮度LED驅(qū)動(dòng)器在低輸入電壓下的工作。介紹了由此產(chǎn)生的問題和適當(dāng)?shù)慕M件選擇指南，以及理論計(jì)算和臺(tái)架測量之間的比較。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

介紹

本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了MAX25014 4通道背光高亮度LED驅(qū)動(dòng)器的低輸入電壓應(yīng)用。它提出了一個(gè)效率計(jì)算，該計(jì)算考慮了IC和外部組件的貢獻(xiàn)，并建議了如何減少這種條件下的功率損耗。MAX25014為峰值電流模式控制的LED驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)4個(gè)不同配置的LED串。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹其升壓拓?fù)?，其中LED串正向電壓始終高于輸入電源電壓范圍。假設(shè)LED驅(qū)動(dòng)器始終保持連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。

MAX25014具有多種特性：4路集成電流輸出，每路可吸收高達(dá)149mA的LED電流，集成擴(kuò)頻和相移，I2C 控制脈寬調(diào)制 （PWM） 調(diào)光和混合調(diào)光，以及 400kHz 至 2.2MHz 之間的可編程開關(guān)頻率。該器件在啟動(dòng)后可在低至 2.5V 的電源電壓下工作。

圖1.MAX25014的典型工作電路

低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換器工作和效率

在分析低輸入電壓下的升壓轉(zhuǎn)換器行為之前，必須介紹LED驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的一些初步定義。

驅(qū)動(dòng)LED串所需的總輸出電流（ILED）為：

其中ISTRING是每個(gè)字符串的電流和 N字符串是字符串的數(shù)量。

驅(qū)動(dòng) LED 串所需的電壓 （VLED） 是：

其中 VOUT_ 指OUT_引腳調(diào)節(jié)電壓（約等于1V），VF是每個(gè) LED 上的典型預(yù)期正向壓降，而 N發(fā)光二極管是每個(gè)串中的 LED 數(shù)量。

占空比 （D） 計(jì)算非常簡單：

其中 VD是整流二極管的正向壓降（約0.6V），VIN是以伏特為單位的輸入電源電壓。

包括預(yù)期的轉(zhuǎn)換器效率 （η經(jīng)驗(yàn)值），在定義的輸入電壓值下，占空比和LED電流決定了平均電感電流（IL平均） 作為：

現(xiàn)在確定了平均電感電流，峰值電感電流（ILP）為：

其中 ΔIL是峰峰值電感電流紋波，單位為安培 （A）。通常考慮平均電感電流的±30%作為最大峰峰值紋波，ΔIL是：

與大多數(shù)升壓穩(wěn)壓器一樣，MAX25014采用內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器，由器件輸入端供電，為IC內(nèi)的模擬和數(shù)字控制電路提供較低電壓的電源。

MAX25014可以保持V電壓抄送= 當(dāng)LDO穩(wěn)壓器輸入從升壓轉(zhuǎn)換器的輸入切換到升壓轉(zhuǎn)換器的輸出時(shí)，為外部MOSFET提供5V驅(qū)動(dòng)，當(dāng)前者降至5.8V （典型值）切換門限時(shí)。這可以防止LDO輸出電壓崩潰，從而限制柵極驅(qū)動(dòng)器適當(dāng)增強(qiáng)外部MOSFET的能力。因此，它使其在更高的電阻狀態(tài)下工作，當(dāng)電流通過器件時(shí)，以熱量的形式引起更高的功率耗散?；蛘?，LDO本身的功耗在低輸入電壓下會(huì)變高，如后面的章節(jié)所示。

低側(cè)MOSFET漏源電阻散熱引起的功率損耗（PRDSON） 稱為傳導(dǎo)損耗。

除了傳導(dǎo)損耗外，還必須考慮低側(cè)MOSFET和高側(cè)二極管（PSW、M和PSW、D）的開關(guān)損耗：這些損耗隨著升壓開關(guān)速度的增加而增加。因此，當(dāng)編程開關(guān)頻率高于1MHz時(shí)，當(dāng)輸入電壓低于開關(guān)電壓時(shí)，MAX25014將其降低30%，以減少散熱。

所述特性在IC中實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诜浅５偷妮斎腚妷汉透唛_關(guān)頻率下，升壓轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)降低，輸入電流可以達(dá)到非常高的水平。因此，MOSFET的總損耗會(huì)變得嚴(yán)重并產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量。

除外部開關(guān)外，電感器是導(dǎo)致功率損耗的另一個(gè)重要因素。電感總損耗（PL） 可分為歐姆損耗和磁芯損耗。前者與電感的繞組電阻（REC3），而后者直接取決于開關(guān)頻率。如果不詳細(xì)了解核心材料特性，就無法輕松建模，并且在此分析中被忽略了。電感的繞組電容在后續(xù)段落中也忽略了。

NGATE保護(hù)開關(guān)的傳導(dǎo)損耗（P恩加特）和續(xù)流二極管（P二極管） 總結(jié)對(duì)外部元件功耗的分析。將上述所有因素相加以得出總外部損失（P內(nèi)線):

還必須考慮IC本身的功耗，盡管它對(duì)整體系統(tǒng)效率的影響很小。主要損耗來自集成穩(wěn)壓器模塊（P線性分布器）、吸電流 （P沉）、柵極電荷（PGATE_CHARGE）和靜態(tài)電流消耗（PQ），并形成總IC損耗（P集成電路） 作為：

（公式 1）、（公式 2）、（公式 7）和（公式 8）共同計(jì)算轉(zhuǎn)換器的效率 （η）：

計(jì)算η后，必須通過設(shè)置η迭代更新公式4中的效率校正因子經(jīng)驗(yàn)值= η，得到越來越準(zhǔn)確的IL值平均直到兩個(gè)效率值匹配。

功率損耗因數(shù)的詳細(xì)說明

本部分介紹如何獲得每個(gè)組件的功耗。從IC損耗開始，首先需要計(jì)算內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器所需的電流平均值：

其中 QG是所選外部 MOSFET 開關(guān)的總柵極電荷和 f西 南部是轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。

內(nèi)部穩(wěn)壓器消耗的功率為：

電流吸收、柵極電荷和靜態(tài)或待機(jī)功耗損耗分別計(jì)算如下：

IC的靜態(tài)電流IQ值可以從MAX25014數(shù)據(jù)資料中的器件EC表中檢索。

與上一節(jié)中提到的外部元件相關(guān)的傳導(dǎo)損耗由以下公式給出：

RDSON_NGATE公式19是NGATE保護(hù)開關(guān)的漏源電阻。

MOSFET開關(guān)損耗的粗略估計(jì)值可以使用柵極驅(qū)動(dòng)電流、漏極電流和漏極電壓波形的簡化線性近似值來計(jì)算：

tLX可以考慮MOSFET導(dǎo)通程序的兩個(gè)不同開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的柵極驅(qū)動(dòng)電流來估計(jì)：

VGS，Miller and VTH參數(shù)可在所選MOSFET的數(shù)據(jù)資料中找到，RHI為柵極驅(qū)動(dòng)器的高端電阻（該值在MAX25014數(shù)據(jù)資料中表示），RG是 MOSFET 內(nèi)部和外部柵極電阻的總和。

兩個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間為：

該 CHS2和 C.RSS電容也是MOSFET特有的參數(shù)，其典型值可在器件的數(shù)據(jù)手冊中找到。t2 和 t3 的總和導(dǎo)致所需的 tLX時(shí)間：

整流二極管上的開關(guān)損耗發(fā)生在從導(dǎo)通狀態(tài)到非導(dǎo)電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換中，已知低于MOSFET上的開關(guān)損耗，并且對(duì)于第一近似值，被認(rèn)為是：

數(shù)值模擬和臺(tái)架測試結(jié)果比較

上一段介紹的公式理論上評(píng)估了MAX25014升壓轉(zhuǎn)換器在不同輸入電壓下的效率。將數(shù)值結(jié)果與MAX25014評(píng)估板上的效率測量結(jié)果進(jìn)行了比較，該評(píng)估板在2.2MHz開關(guān)頻率下驅(qū)動(dòng)4個(gè)8和9 LED串，每個(gè)串的恒定電流為120mA。假設(shè)每個(gè)LED都有一個(gè)典型的預(yù)期正向壓降，LED驅(qū)動(dòng)器電路必須由12V至4V輸入電壓供電。評(píng)估板上使用的主要外部元件的值和部件號(hào)如圖2所示。

圖2.MAX25014的典型工作電路

表1列出了用于數(shù)值仿真的組件特定值，除了圖2中已經(jīng)顯示的值。

圖 3 和圖 4 顯示了兩種情況下的效率比較結(jié)果。

圖3.MAX25014效率與輸入電壓的關(guān)系，8 × 4 LED，f西 南部= 2.2兆赫。

圖4.MAX25014效率與輸入電壓的關(guān)系，9 × 4 LED，f西 南部= 2.2兆赫。

結(jié)論

本應(yīng)用筆記介紹了影響MAX25014效率提升的主要因素，重點(diǎn)介紹該器件在低輸入電壓下的表現(xiàn)。

總功率損耗的估計(jì)雖然是一階的近似值，但與臺(tái)式測量值非常匹配。

審核編輯：郭婷