降壓型LED驅動器設計方案

概述

　　本參考設計針對便攜式投影儀的6A降壓型LED驅動器，參考設計基于PWM HB LED驅動器MAX16821，該電路可驅動一個LED;驅動RGB三色LED時需要使用三片MAX16821。

　　LED驅動器規格

　　輸入電壓范圍(VIN)：10V至15V 。

　　輸出電壓(VLED)：4.5V至6V。

　　輸出電流(ILED)：1.5A至6A，可模擬控制 。

　　模擬控制電壓：1.1V至2.8V，對應1.5A至6A。

　　最大LED導通占空比：50% 。

　　最大LED電流上升/下降時間： 1us 。

　　最大LED電流紋波：6A時， 15% 。

　　輸入

　　Vin (J1和J2接VIN+，J3和J4接GND)：10V至15V輸入電源。

　　通/斷控制(J8)：浮空或連接到+5V，使能驅動器;J8短路時禁止電路板工作。

　　PWM輸入(J7)：PWM調光輸入，連接一個幅度為3V至5V的PWM信號。為了保證PWM輸入能夠驅動Q1和Q7，信號源在驅動300pF負載時，上升/下降時間應小于500NS。由于輸出信號的上升/下降時間控制在1?s以內，任何周期為1?s的3至4倍的PWM信號都可以使用。

　　LED電流控制(J6)：LED電流調節輸入。加載1.1V至2.8V電壓，可以在1.5A至5A范圍調整LED電流。

　　輸出

　　LED+ (J9、J10)：接LED陽極。

　　LED- (J11、J12)：接LED陰極。

　　電感電流輸出(J5)：提供一個與LED電流成比例的信號。OUTV電壓為R9電壓的135倍。

　　圖1 MAX16821 LED驅動器電路板

　　圖2 LED驅動器電路板原理圖(點擊放大)

　　電路說明

　　LED驅動器對10V至15V輸入電源電壓進行降壓轉換，恒流驅動一個正向導通電壓為4.5V至6V的LED。使用MAX16821 PWM HB LED驅動器實現降壓轉換。由于平均電感電流等于LED電流，可以通過控制平均電感電流恒流驅動LED，開關頻率通過電阻R6 (200kΩ)設置為300kHz。

　　電路包含兩個控制環路：內部電流環路根據外部電壓環路的輸出控制電感電流;外部電壓環路設置內部電流環路，最終控制LED電流。外部電壓環路監測OUTV引腳，U1的輸出產生EAOUT信號。EAOUT信號控制內部電流環路，即控制電感電流。

　　模擬LED電流控制

　　運算放大器U1接受1.1V至2.8V的模擬輸入，驅動MAX16821的SENSE+輸入引腳，在1.5A至6A范圍內調節LED電流。當LED電流達到6A時，連接到U1的參考電壓和電阻分壓器在U1輸出端產生大約20mV (高于VOL的最差值)的電壓。2.8V的模擬控制輸入產生該輸出電壓。LED電流上升到6A時，R1和R22構成的電阻分壓器將OUTV的電流檢測信號分壓，產生一個很小的電壓疊加在U1輸出端;由R1和R22生成的電壓等于SENSE+輸入端100mV的外環參考電壓。注意，OUTV信號是R9、R18電流檢測信號放大后的電壓，放大倍數為135V/V。隨著模擬控制輸入電壓從2.8V開始下降，U1的輸出電壓從20mV開始線性增大。U1輸出電壓的升高，使SENSE+輸入在較低的LED電流下達到100mV。當模擬控制輸入降至大約1.1V時，U1輸出增加到80mV，LED電流降至1.5A。

　　PWM調光

　　在PWM處于關閉狀態時，LED輸出端的MOSFET Q9導通，LED短路。LED電流降至零，具體取決于Q1的導通時間(本設計中遠遠小于1?s)。PWM處于關閉期間始終保持電感電流。PWM開始導通時，Q1關閉，電感電流對輸出電容充電。輸出電壓一旦達到LED的起始導通電壓，LED電流開始上升。LED電流從0A上升到滿幅值的時間取決于幾個因素：電感電流、輸出電容以及LED的正向導通電壓的變化。本參考設計僅在LED電流設定為6A時滿足 1?s LED開啟時間的要求。如需在降低的電流時得到快速的LED開啟時間，可增大電感值并減小輸出電容。

　　反饋補償

　　電阻R2和R23限制高頻電流環路的增益，補償次級諧波振蕩。在電流環路傳輸函數中遠遠低于單位增益頻率的位置設置一個零點，既可以保證在低頻區有足夠的增益，又可以保證電感電流的誤差非常小。利用C1、C19構建該零點。在PWM關閉、導通時，Q1和Q2交替連接到RC網絡，實現補償。本設計可保持C1、C19的電量，使PWM響應更加迅速。

　　由于直接測量電感電流，驅動電路的傳輸函數中沒有輸出極點。外部電壓環路簡化成一個單極點系統，而電壓誤差放大器在設定頻率范圍內確定這唯一極點。為了避免兩個反饋環路相互干擾，C21和C22將外部環路的單位增益頻率降至電流環路單位增益頻率的十分之一。Q7和Q10保持補償電容的電荷，保證在PWM脈沖變化時，電壓誤差放大器的輸出能即刻切換至所要求的數值。電阻R24、R25可避免Q7和Q10狀態變化產生的電荷注入而導致的C21、C22充/放電。

LED電流上升/下降時間

　　本設計要求在PWM工作產生6A LED電流時，LED電流的上升/下降時間保持在1?s以內。這就要求使用較小的輸出濾波電容和較大電感，在滿足LED電流最大紋波的要求的前提下滿足上述條件。PWM處于關閉狀態時，Q9導通，建立可編程的電感電流回路。如果LED電流設置為6A，電感電流將由MAX16821調整在6A。輸出再次導通時，電感電流對輸出電容C8充電。C8的充電速率決定了LED電流的上升時間，基于這一點計算C8的取值。因為Q9的放電速度遠快于C8，所以LED電流的下降時間遠遠小于1?s。

　　電路波形

　　溫度測量

　　VIN：10V

　　Iout：6A

　　TA：25°C

　　電路板溫度：+50°C

　　Q3、Q4和Q9溫度：+52°C

　　U1表面溫度：+47.5C

　　L1磁芯溫度：+75°C (電流為5.8A時，L1溫度高出環境溫度40°C)

　　上電順序

　　在VIN+和GND之間連接0至20V、5A電源(PS1)。

　　在J6 (V_CONTROL)連接0至5V電源(PS2)。

　　將額定值大于6A的LED通過盡可能短的連線連接到LED+和LED-，以降低引線電感。如果需要較長連線，請務必使用雙絞線連接。

　　J5、J8保持開路。

　　打開PS2電源，輸出1.1V。

　　逐漸增大PS1電源輸出，達到10V。LED被點亮，工作在1.5A連續電流。

　　將一個幅度為3V至5V、30%占空比的信號連接至PWM引腳。LED電流將由PWM信號控制通、斷。

　　將PS2輸出電壓從1.1V調整到2.8V。在PWM處于導通期間，LED電流從1.5A上升到6A。