MAX16833高壓高亮度LED驅(qū)動(dòng)器的分步設(shè)計(jì)過(guò)程

本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了MAX16833高壓高亮度LED驅(qū)動(dòng)器的分步設(shè)計(jì)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可以加快原型制作速度，并增加一次性成功的機(jī)會(huì)。給出了一個(gè)典型的設(shè)計(jì)方案，以及基于設(shè)計(jì)約束的計(jì)算示例。討論了組件選擇的權(quán)衡。包括一個(gè)電子表格計(jì)算器，以幫助計(jì)算外部組件值。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是，只要理解基本方程，相同的過(guò)程就可以應(yīng)用于其他拓?fù)洹?/p>

介紹

本應(yīng)用筆記是系列筆記中的第一篇，詳細(xì)介紹了MAX16833高壓高亮度LED驅(qū)動(dòng)器的分步設(shè)計(jì)過(guò)程，以加快原型設(shè)計(jì)速度，增加一次通過(guò)成功的機(jī)會(huì)。MAX16833為峰值電流模式控制的LED驅(qū)動(dòng)器，能夠以幾種不同的架構(gòu)驅(qū)動(dòng)LED串：升壓、降壓-升壓、SEPIC、反激式和高邊降壓拓?fù)洹?/p>

MAX16833具有多種特性：調(diào)光驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)外部p溝道MOSFET，極快的PWM電流切換至LED，無(wú)瞬態(tài)過(guò)壓或欠壓，模擬調(diào)光，100kHz至1MHz之間的可編程開(kāi)關(guān)頻率，以及用于頻率抖動(dòng)的斜坡輸出或電壓基準(zhǔn)，用于精確設(shè)置LED電流，只需很少的外部元件。

對(duì)于第 1 部分的設(shè)計(jì)示例，7 LED 燈串以 1A 的恒定電流驅(qū)動(dòng)。假設(shè)每個(gè)LED的典型正向壓降為3V，動(dòng)態(tài)電阻為0.2Ω。還假設(shè)LED驅(qū)動(dòng)器電路直接由汽車(chē)電池供電，其典型電壓為12V，但可以在6V至16V之間變化。由于LED燈串電壓始終大于輸入電壓，因此選擇升壓配置。

圖1.典型工作電路。

電感器選擇（升壓）

為了選擇合適的電感值，必須計(jì)算最大占空比：

（公式1）

其中VLED是以伏特為單位的LED串的正向電壓，VD是整流二極管的正向壓降（約0.6V），VIMIN是以伏特為單位的最小輸入電源電壓，VFET是以伏特為單位的開(kāi)關(guān)MOSFET導(dǎo)通時(shí)的平均漏源電壓（最初假設(shè)為0.2V）。

最大占空比和LED電流決定了平均電感電流。

（公式2）

峰值電感電流定義如下：

（公式3）

其中 ΔIL是以安培為單位的峰峰值電感電流紋波。

最后，可以計(jì)算出最小電感值：

（公式4）

下面是基于引言中概述的設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)值示例。選擇電感電流紋波為50%。較低的紋波電流需要更大（通常更昂貴）的電感。更高的紋波電流需要更多的斜率補(bǔ)償和更大的輸入電容。

確定最小電感值后，必須選擇接近L的實(shí)際電感值最低盡可能不下水。使用所選電感值重新計(jì)算峰值電感電流和紋波。這些數(shù)字對(duì)于以后的其他計(jì)算是必需的。

確保所選電感的額定電流高于ILP.通常，電感峰值電流使用20%裕量。

輸入電容選擇

在升壓轉(zhuǎn)換器中，輸入電流是連續(xù)的，因此RMS紋波電流很低。大容量電容和ESR都會(huì)影響輸入紋波。假設(shè)大容量電容和ESR的紋波貢獻(xiàn)相等，如果鋁電解電容和陶瓷電容并聯(lián)使用。如果僅使用陶瓷電容器，則大部分輸入紋波來(lái)自大容量電容（因?yàn)樘沾呻娙萜骶哂蟹浅５偷腅SR）。使用以下公式計(jì)算最小輸入大容量電容和最大ESR：

（公式12）

其中 ΔVQ_IN是電容放電引起的輸入紋波部分。

（公式13）

其中 ΔVESR_IN是ESR引起的輸入紋波。

假設(shè)可以容忍最大120mV的輸入紋波（V的2%）英明).此外，假設(shè)該輸入紋波的95%來(lái)自大容量電容。如果實(shí)際組件不容易獲得計(jì)算值，則可能需要重新考慮此假設(shè)。根據(jù)規(guī)定的設(shè)計(jì)規(guī)格，輸入電容的計(jì)算方法如下：

并聯(lián)使用兩個(gè) 4.7μF 電容器，以實(shí)現(xiàn) 8.5μF 的最小大容量電容。確保所選電容器在工作電壓下滿(mǎn)足最小大容量電容要求（電容會(huì)隨著陶瓷電容器電壓的變化而大幅降低）。

輸出電容器選擇

輸出電容器的目的是在開(kāi)關(guān) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)減小 LED 的輸出紋波和源電流。大容量電容和ESR都會(huì)影響總輸出電壓紋波。如果使用陶瓷電容器，大部分紋波來(lái)自大容量電容。使用公式16計(jì)算所需的大容量電容：

（公式16）

其中 ΔVQ_OUT是電容器放電引起的輸出紋波部分。

剩余紋波，ΔVESR_OUT，來(lái)自輸出電容ESR，其計(jì)算公式如下：

（公式17）

要確定允許的總輸出紋波，請(qǐng)將允許的LED電流紋波乘以L(fǎng)ED串的動(dòng)態(tài)阻抗。LED的動(dòng)態(tài)阻抗定義為工作LED電流下的ΔV/ΔI，可通過(guò)LED數(shù)據(jù)手冊(cè)中的I-V曲線(xiàn)確定。如果LED數(shù)據(jù)手冊(cè)中未提供I-V曲線(xiàn)，則必須手動(dòng)測(cè)量。

并聯(lián)使用多個(gè)陶瓷電容器，以降低大容量輸出電容的有效ESR和ESL。

在PWM調(diào)光期間，陶瓷輸出電容可能會(huì)產(chǎn)生一些可聞噪聲。為了降低這種噪聲，將電解電容器或鉭電容器與陶瓷電容器結(jié)合使用，以提供所需的大部分大容量電容。也可以使用低噪聲陶瓷電容器。1

假設(shè)最大 LED 電流紋波為 0.1 × I發(fā)光二極管.此外，假設(shè)所選LED的動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω（1個(gè)LED串的總阻抗為4.7Ω）。然后按如下方式計(jì)算總輸出電壓紋波：

假設(shè)大容量電容的紋波貢獻(xiàn)為95%，輸出電容的計(jì)算公式如下：

	（公式19）
	（公式20）

并聯(lián)使用四個(gè) 4.7μF 電容器，以實(shí)現(xiàn) 18.3μF 的最小輸出電容。 確保所選電容器在工作電壓下滿(mǎn)足最小大容量電容要求（電容會(huì)隨著陶瓷電容器電壓的變化而大幅降低）。

過(guò)壓保護(hù)

如果 LED 開(kāi)路，轉(zhuǎn)換器會(huì)嘗試增加輸出電壓以達(dá)到所需的 LED 電流。這意味著輸出電壓可能接近不安全的水平。提供OVP輸入以檢測(cè)過(guò)壓情況并限制輸出電壓。如果 V過(guò)壓保護(hù)超過(guò)1.23V，NDRV強(qiáng)制低電平，直到V過(guò)壓保護(hù)放電至1.16V。

（公式21）

對(duì)于此設(shè)計(jì)示例，假設(shè) VOV42V是可以接受的。選擇 ROVP2為10kΩ，則

（公式22）

電流檢測(cè)

MAX16833為電流模式控制的LED驅(qū)動(dòng)器，這意味著電感電流和LED電流的信息被反饋到環(huán)路中。

LED 電流感應(yīng)

LED 電流由串聯(lián)高邊檢流電阻器或施加到 ICTRL 輸入端的電壓進(jìn)行設(shè)置。

如果 VICTRL> 1.23V，內(nèi)部基準(zhǔn)調(diào)節(jié)R兩端的電壓CS_LED（五愛(ài)森+， w愛(ài)森-） 至 200mV。因此，檢流電阻RCS_LED設(shè)置 LED 電流。

（公式23）

如果 VICTRL<1.23V，則LED電流由RCS_LED和 VICTRL.這允許LED通過(guò)模擬電壓調(diào)暗。

（公式24）

請(qǐng)注意，當(dāng) VICTRL= 1.23V，兩個(gè)方程相同。

RCS_LED還用于檢測(cè) LED 串上的短路。如果 ISENSE+ 和 ISENSE- 兩端的電壓超過(guò) 300mV，持續(xù) ≥ 1μs，則 IC 內(nèi)的短路保護(hù)激活。

開(kāi)關(guān) FET 電流檢測(cè)和斜率補(bǔ)償

當(dāng)占空比大于50%時(shí)，負(fù)載瞬態(tài)會(huì)導(dǎo)致次諧波振蕩和環(huán)路不穩(wěn)定，而無(wú)需斜率補(bǔ)償。為了保持環(huán)路穩(wěn)定，添加一個(gè)電阻（R南卡羅來(lái)納州從CS到開(kāi)關(guān)MOSFET的源極）。MAX16833內(nèi)部有一個(gè)電流源，通過(guò)R供電電流南卡羅來(lái)納州創(chuàng)建電壓 V南卡羅來(lái)納州.該電壓與R兩端的電壓相加CS_FET并將結(jié)果與參考進(jìn)行比較。

保持穩(wěn)定性所需的最小斜率補(bǔ)償電壓為：

FET 檢流電阻，RCS_FET，具有開(kāi)關(guān)MOSFET電流和斜率補(bǔ)償電流流過(guò)它。

圖2.斜率補(bǔ)償。

斜率補(bǔ)償電壓定義如下：

（公式27）

為了計(jì)算最小必要的斜率補(bǔ)償電壓，假設(shè)最小電源電壓和最小電感值：

	（公式28）
	（公式29）

因此：

（公式30）

包括系數(shù) 1.5 以提供足夠的保證金。

（公式31）

一旦 RCS_FET已經(jīng)確定，R南卡羅來(lái)納州可以按如下方式計(jì)算：

（公式32）

根據(jù)規(guī)定的設(shè)計(jì)規(guī)格，斜率補(bǔ)償和檢流電阻的計(jì)算方法如下：

最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為68mΩ。

（公式35）

誤差放大器補(bǔ)償

在升壓配置中，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器具有右半平面（RHP）零點(diǎn)，導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定。環(huán)路補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是確保環(huán)路增益>180dB（和足夠的相位裕量）的相移小于0°。通過(guò)增加左半平面 （LHP） 極點(diǎn)，環(huán)路增益可在大約 0/1 f 時(shí)滾降至 5dB中聯(lián)并且可以避免RHP零點(diǎn)引起的不穩(wěn)定。誤差放大器必須進(jìn)行補(bǔ)償，以確保在所有預(yù)期的工作條件下變化下的環(huán)路穩(wěn)定性。最壞情況下的 RHP 零頻率計(jì)算如下：

（公式36）

開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出端還有一個(gè)極點(diǎn)。輸出極點(diǎn)，fP2，可以按如下方式計(jì)算：

（公式37）

其中COUT 是上面計(jì)算的大容量輸出電容和R外是有效輸出阻抗。

（公式38）

其中RLED是 LED 串在工作電流下的動(dòng)態(tài)阻抗，單位為歐姆。

環(huán)路通過(guò)添加串聯(lián)電阻器和電容器（R比較和 C比較） 從 COMP 到 SGND。R比較設(shè)置交越頻率和C比較設(shè)置積分器零頻率。為獲得最佳性能，請(qǐng)使用以下公式：

	（公式39）
	（公式40）

以下設(shè)計(jì)示例：

	（公式41）
	（公式42）
	（公式43）
	（公式44）
	（公式45）

脈寬調(diào)制調(diào)光

雖然模擬調(diào)光可以通過(guò)在0V和1.23V之間掃描ICTRL上的電壓來(lái)控制，但有時(shí)需要在不改變LED電流的情況下調(diào)暗LED。MAX16833允許PWM調(diào)光，具有PWMDIM輸入和%-overbar_pre%DIMOUT%-overbar_post%輸出。

MAX16833設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)高邊p溝道MOSFET。通過(guò)使用高邊p溝道MOSFET而不是低邊n溝道MOSFET進(jìn)行調(diào)光，MAX16833板與LED的連接更少。圖3所示為MAX16833通用方案，僅需<>個(gè)連接即可創(chuàng)建升壓或降壓-升壓LED驅(qū)動(dòng)器。

圖3.三端子MAX16833方案

MAX16833設(shè)計(jì)用于前燈組件，因此只適合調(diào)光精度小于500：1的應(yīng)用。

為了最大化可能的調(diào)光比，可以做幾件事：

使用緩慢調(diào)光頻率。人眼通常無(wú)法區(qū)分大于100Hz的調(diào)光比。

提高開(kāi)關(guān)頻率。這還有一個(gè)額外的好處，那就是減小了功率組件的必要尺寸。但是，這會(huì)降低效率。

減小電感值。這會(huì)增加電感紋波電流，從而增加輻射發(fā)射并降低效率。

注意：在非常慢的調(diào)光頻率（例如，1Hz轉(zhuǎn)向信號(hào)）下，必須仔細(xì)考慮防止升壓轉(zhuǎn)換器的輸出放電到電池的1.5V以?xún)?nèi)。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)檢測(cè)V之間的電壓差來(lái)檢測(cè)LED兩端的短路愛(ài)森+和 V在.如果 V愛(ài)森+降至電池電壓的1.5V以?xún)?nèi)，則%-overbar_pre%FLT%-overbar_post%輸出置位為低電平，錯(cuò)誤地指示發(fā)生了故障。ISENSE+ 輸入具有 200μA 的典型偏置電流，可將 C 放電外在PWMDIM信號(hào)的關(guān)斷階段。OVP 電阻分壓器也是一條漏電流，可使輸出電容放電（見(jiàn)圖 4）。

圖4.輸出電容泄漏路徑。

電磁干擾注意事項(xiàng)

頻率抖動(dòng)

MAX16833/MAX16833C具有LFRAMP輸出，簡(jiǎn)化了內(nèi)部振蕩器（擴(kuò)頻）的頻率抖動(dòng)。當(dāng)設(shè)計(jì)具有嚴(yán)格的EMI要求時(shí)，請(qǐng)考慮使用此功能。LFRAMP 輸出 1V 至 2V 之間的三角波，頻率由單個(gè)旁路電容器設(shè)定。

（公式46）

fLFRAMP應(yīng)該比f(wàn)SW慢至少10倍。

假設(shè)抖動(dòng)頻率為 500Hz，CLFRAMP可以按如下方式計(jì)算：

（公式47）

要使內(nèi)部振蕩器的頻率抖動(dòng)，請(qǐng)?jiān)贚FRAMP和RT/SYNC之間連接一個(gè)電阻。

圖5.不使用LFRAMP。

圖6.使用 LFRAMP 對(duì)內(nèi)部振蕩器頻率進(jìn)行抖動(dòng)。

振蕩器頻率的變化由RDITH決定.

圖7顯示了頻率抖動(dòng)對(duì)內(nèi)部振蕩器的影響。

圖7.LFRAMP在行動(dòng)。

選擇RRT 和RDITH使得內(nèi)部振蕩器的工作頻率在 100kHz 和 1MHz 之間。

假設(shè)ΔfSW需要 12.5%。

（公式50）

圖8.輸出光譜內(nèi)容。

正確的布局

除了抖動(dòng)之外，正確的布局對(duì)于良好的EMI性能也很重要。最小化布局引起的EMI的關(guān)鍵是識(shí)別不連續(xù)的電流路徑。

圖9.簡(jiǎn)化原理圖。

圖10顯示了某些外部元件的電流與時(shí)間的關(guān)系。高di/dt出現(xiàn)值用橙色圈出。

圖 10.各種電流波形。

圖 11.高di/dt路徑對(duì)布局至關(guān)重要。

為了改善EMI，請(qǐng)使以紅色突出顯示的組件盡可能彼此靠近。保持這些元件之間的走線(xiàn)盡可能短，以降低高di/dt路徑上的寄生電感。

其他 EMI 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

如果在頻率抖動(dòng)和布局優(yōu)化后需要進(jìn)一步改進(jìn)EMI，可以使用其他一些設(shè)計(jì)技術(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)減慢LX節(jié)點(diǎn)的上升和下降時(shí)間來(lái)降低EMI。最常見(jiàn)的兩種方法是在N1上增加一個(gè)小柵極電阻，或在N1的漏極上增加一個(gè)小的鐵氧體磁珠。這些附加功能中的任何一個(gè)都在一定程度上改善了EMI，但代價(jià)是降低了效率。

結(jié)論

完整的升壓LED驅(qū)動(dòng)器原理圖如圖12所示。通過(guò)遵循本應(yīng)用筆記中概述的分步設(shè)計(jì)流程，可以在項(xiàng)目的調(diào)試和測(cè)試階段節(jié)省大量時(shí)間。

圖 12.基于示例計(jì)算的典型應(yīng)用電路。

審核編輯：郭婷