LED背光SEPIC驅動器的設計

概述

該參考設計用于12英寸TFT顯示器的LED背光驅動。輸入電氣要求和輸出特性如下：

VIN (電源)：

16V (1092mA)至36V (476mA)；可承受50V瞬態電壓 VBIAS：

3.3V (50mA) PWMIN：

250Hz脈沖串；1µs (最小值)脈沖；0mA時大于3.1V；10mA時小于0.3V VLED配置：

8只LED (2.9V至3.75V)串聯(31V，最大值)；8串并聯，每串電流可達70mA

詳細圖片(PDF, 51.64kB)

圖1. MAX16809驅動器電路板

詳細圖片(PDF, 14.83kB)

圖2. 驅動器設計原理圖

電路簡述

該參考設計采用MAX16809作為SEPIC電源和16通道LED驅動器的主控制器。16個通道以每對為一組，驅動8路并聯的LED串。SEPIC電源允許輸入電壓大于或小于輸出電壓，這種拓撲非常適合汽車環境下的LED應用，因為這種環境下輸入、輸出電壓波動較大。SEPIC電源工作在200kHz頻率，速率足以滿足選擇小尺寸功率元件的需求，而且，這樣的開關頻率也不會導致開關MOSFET過熱。耦合電感L1由Coilcraft®生產，提供SEPIC電源所需的初級和次級電感。由于使用耦合電感結構，與采用兩個分離電感的方案相比，該設計中的電感值可以減小一半。

PCB已更改為使用含鉛的低ESR電解電容。當PWM信號關閉負載使其電流為零時，這些電容用來吸收電源的電感能量。LED串的輸出電壓可通過兩個8引腳連接器提供：VLED+靠近連接器外側，VLED-靠近連接器內側。必要時可以使用所提供的輸出濾波電容焊盤；本設計中沒有安裝這些電容。Q2-D2-R8電路為電流模式PWM控制器提供了斜率補償。該電路跟隨RTCT電壓波動，向R7注入電流，從而產生斜坡電壓，防止在占空比超過50%時(當輸入電壓較低時)導致控制器諧波振蕩。

SEPIC反饋路徑分兩種模式：自適應和靜止。自適應模式(當PWM信號為高時)下將產生“二極管或”輸出，從而使最低驅動器電壓(最大LED串聯壓降)被調整到大約700mV，為保證LED驅動器正常工作提供足夠裕量。其它LED串具有較低的串聯壓降，所以這些驅動器具有更大裕量。自適應模式把由線性LED驅動器產生的功耗降至最低。該模式下，當LED的絕對正向導通電壓不太嚴格時，LED之間正向導通電壓的相對誤差應控制在200mV以內。為改善散熱，MAX16809必須與大面積覆銅層之間有良好的導熱通道，可通過封裝裸焊盤下方的過孔實現散熱。該參考板中利用底層的地平面為IC散熱，如果使用面積更大的多層地平面，散熱效果會更好。

靜止模式下(PWM信號為低)，按照與傳統電源類似的方式調整VLED，電壓上升至在很短的脈沖內保證工作的電壓值。因為電源磁場無法在很短的脈沖內快速建立足夠的儲能，所有能量必須由輸出電容提供。靜止模式必須保證這些電容能夠充電達到足夠的儲能，在電感響應之前維持足夠的能量。

齊納二極管D10為電路提供過壓保護，如果一串LED斷開，自適應電壓控制將嘗試提高VLED以滿足700mV的要求。D10將最高輸出電壓限制在35.5V。雖然該高壓不會損壞電路，但LED驅動器的功耗可能導致MAX16809過熱。芯片內部電路將關斷驅動器，直到溫度下降到適當值，這會導致LED閃爍。

通過R5 (511Ω)將LED驅動電流設置在35mA，如果將兩個驅動器并聯驅動一串LED，則每串的驅動電流可以達到70mA。

施密特反相觸發器U2配置成振蕩器，為MAX16809的SPI輸入提供時鐘。由于DIN接高電平，將向內部寄存器輸入一串“1”，開啟所有LED驅動器。U2還用于對PWM信號反相轉換，以滿足MAX16809的OE#輸入要求。

Q3-D11-R16電路預先調整MAX16809 PWM控制器的輸入電源。簡單的線性穩壓器可以將輸入電壓降至12V，適合IC的工作電壓以及MOSFET的柵極驅動。LED驅動器輸入(V+)需要外接3.3V電源(原PCB的替換方案)。LED驅動器的最大驅動電流為50mA。

性能測試和結果

詳細圖片(PDF, 34.14kB)

圖3. VIN = 18V、VIN = 36V時的MOSFET電流和電壓

詳細圖片(PDF, 34.23kB)

圖4. 1µs脈沖和2ms脈沖VLED，VLED在靜止模式和自適應模式下交替轉換

詳細圖片(PDF, 40.38kB)

圖5. 1.5ms和3.5ms脈沖的LED驅動器電壓、VLED電壓和MOSFET電流，VLED進入自適應模式之前LED驅動器電壓保持高電平

溫度測量

以下溫度參數采用8個400Ω電阻作為負載測量得到：

VIN

Ambient

16VDC TU1 TQ1 TL1 TQ3 TD1

+20°C +59°C +56°C +65°C +46°C +60°C

VIN

Ambient

36VDC TU1 TQ1 TL1 TQ3 TD1

+20°C +54°C +48°C +61°C +57°C +56°C