RGB LED驅動器支持彩色照明設計

下一代建筑和裝飾照明通過適當組合紅、綠、藍LED的輸出能夠獲得更全面的色彩。在這種高亮度、多LED串聯的應用中，典型導通壓降可能達到22V至36V，吸收電流為1A至2A。圖1所示LED驅動器能夠為多個LED串聯的模塊提供2A的驅動電流，正向導通電壓可以達到36V。該電路僅驅動RGB LED的一種顏色，驅動三種顏色需要三路這樣的驅動器。由于LED產生的光強與其導通電流并非線性關系，選擇通過PWM(而非LED電流幅度)控制亮度等級，每個LED由脈沖調制的固定電流控制燈光亮度。IC控制器利用平均電流模式提供LED驅動，需要最少的外部元件。

工作原理

為了高效提供電流驅動，LED驅動器采用連續導通模式(CCM)的boost拓撲，利用平均電流模式控制輸入電壓的升壓轉換，為LED負載提供恒流驅動。單一芯片(MAX16821B)工作在300kHz，控制boost轉換器工作。由于boost轉換器拓撲在轉換器輸入和輸出之間提供了一個直接通道，必須確保串聯LED的最小導通電壓大于輸入電源電壓的最大值。LED負載通過MOSFET (Q1)和檢流電阻(R13)跨接在boost轉換器的輸出端，PWM ON期間Q1接通LED電流，PWM OFF期間則斷開電流通道。檢測R13兩端的電壓(代表通過LED的電流)時，IC可以抑制共模噪聲并在DIFF引腳提供以地為參考的輸出，增益為6V/V。檢流放大器輸出信號與內部電壓誤差放大器的0.6V基準相比較，差分檢流放大器的6V/V增益能夠使電流檢測的參考點從0.6V降至0.1V，即在額定負載電流下R13的壓差只有0.1V，有助于提高效率。該boost轉換器采用平均電流控制模式，通過兩個反饋環路控制LED電流。外環路檢測LED電流，并將其與基準電壓相比較，在EAOUT (第17引腳)產生放大后的誤差信號。內環路檢測誤差放大器的電壓輸出，相應地控制流過電感(L1)的電流。誤差放大器輸出還決定了以R13設置的電流驅動LED時所需要的電感電流，LED額定電流在R13產生的壓降為0.1V。

第二個檢流電阻(R15)用于設置電感返回通道的電流。U2內部的差分電流檢測放大器提供34.5V/V增益。電流誤差放大器將該輸出電壓與電壓誤差放大器的輸出進行對比，產生內部平均電流控制環路的誤差信號。這一放大后的誤差信號與內部振蕩器斜波進行比較，最終產生PWM信號(在DL第3引腳)用于驅動MOSFET Q2。電流誤差放大器的高增益使得電路能夠根據電壓環路的要求產生平均電感電流(在所允許的限制范圍內)，保持非常低的誤差。在指定的輸入電源電壓和LED正向導通電壓(忽略開關、二極管、檢流電阻等元件的壓差)下，boost轉換器的CCM工作模式決定了PWM開關的占空比，固定占空比與所要求的LED電流相對應，由此確定所需要的電感電流。電壓環路控制電流環路產生這一平均電感電流，從而提供所需的LED電流。兩個控制環路都應提供獨立補償，以確保穩定工作。

轉換器設計

轉換器參數要求如下：

● 輸入電壓范圍：9V至15V

● 最大LED正向導通電壓：33V

● LED電流：2A

● 開關頻率：300kHz(頻率較低時會提高濾波成本，頻率較高時則會降低效率、提高EMI。根據這些因素，將開關頻率優化在300kHz)。

利用下式計算Q2的ON占空比：

式中VLEDMAX為LED的最大導通電壓(應該包括MOSFET Q1的壓降和檢流電阻R13的壓降)，VD是整流二極管D1兩端的電壓，VINMIN是最小輸入電壓，VFET為ON期間MOSFET Q2的平均電壓。該電路中：DMAX = 0.74。
選擇電感(L1)時，必須考慮其電感量和額定峰值電流，利用下式計算最大平均電感電流 (ILAVG)：

確定電感峰值電流(ILPEAK)時，須注意流過電感的紋波電流，與電感值和開關頻率有關。假設電感電流的最大峰峰值紋波(ILPP)為20%。由于ILPP為平均電感電流ILAVG的20%，則：



上式中代入已知參數，得到：ILAVG = 7.7A、ILPEAK = 9.24A。

接下來計算最小電感值LMIN，電感電流紋波設置在最大值：



式中FSW為開關頻率。

將已知參數代入上式，可得：ILMIN=7.05mH。電感值增加20%容限，可選擇10mH標準電感。

電阻R15檢測通過電感的平均電流，在R15上產生25.7mV(最小值)壓差的電流是平均電流控制環路所允許的最大電感電流。借助該項功能，能夠在過載情況下保護外部器件，通過鉗制作用在電流誤差放大器的基準電壓的最大值實現這一保護功能。選擇R15應確保其流過最大電感電流時電阻兩端的電壓低于25.7mV。該應用中，正常工作時R15兩端的最大電壓為24mV。可以利用公式：計算R15，在式中代入已知參數，可得：R15=3.11mW，實際電路選擇3mW電阻。

濾波電容

利用公式計算輸出電容COUT (C6、C7、C8和C9并聯)，式中，VLEDPP為boost輸出電壓的峰峰值。該峰峰值結合LED在額定電流下的動態電阻、決定了LED的紋波電流。為保持色度和LED的使用壽命，LED的紋波電流應該保持在平均電流的10%以內。上式中代入已知參數，得到：COUT=17mF，電路中各電容近似選擇為4.7mF、50V陶瓷電容。利用公式計算輸入電容CIN (C3、C4、C5并聯)，式中VINPP是輸入電壓紋波的峰峰值，本應用中取值為輸入電壓的0.4%。將已知參數代入等式，可得：CIN = 22.3mF，近似用三個10mF、25V陶瓷電容(L1左側)替代。

反饋補償

平均電流控制環路

為確保平均電流控制環路的穩定性，電流誤差放大器的增益應該限定在某一數值以內(頻率接近開關頻率)。理由是：Q2處于OFF期間，通過R15測得的電流不斷衰減，在此期間為負斜率變化。負斜率信號放大后作用到誤差放大器的輸入，經過電流誤差放大器再