低功耗投影儀RGB LED驅動器的參考設計

　　LED驅動器技術指標

　　●輸入電源電壓：10V至15V

　　●LED驅動電流：10A

　　●LED正向偏壓：4.5V至6V

　　●LED電流上升/下降時間： 1us

　　●LED電流紋波：10%峰峰值，最大值

　　輸入

　　●VIN （J4）：電源輸入

　　●PWMR、PWMB、PWMG （J8的引腳1、3和4）：RGB PWM輸入信號，幅值應為3.3V至5V。當輸出的上升/下降時間保持在1?s以內時，任何超出2?s的PWM周期均可使用。某一時刻只有上述三個信號之一為高電平。

　　●PWMN （J8的引腳4）：PWMR、PWMG和PWMB進行邏輯NOR。只有所有三個PWM信號均為低電平時，PWMN為高電平。

　　●ON/OFF （J1）：保持開路或驅動至+5V使能驅動器，連接至GND禁用電路板工作。

　　輸出

　　●LEDR、LEDG、LEDB （J5、J6和J7）：10A RGB LED輸出。將LED+連接至引腳3、4和5；將LED-連接至引腳6、7和8。

　　●OUTV （J2）：提供與LED電流成比例的信號，OUTV上的電壓為R12||R16電壓的135倍。

　　●VIN_OUT （J3）：輸入電源電壓，用于連接至其它電路板。引腳1和2為VIN+；引腳3和4為GND。

圖1. LED驅動電路板（頂層）

圖2. LED驅動電路板（底層）

圖3. 由MAX16821構成的LED驅動器原理圖。

　　電路說明

　　低功耗投影儀采用單芯片DLP處理RGB顏色。任何給定時間內只點亮一種顏色的DLP。這種方法能夠采用一路大電流驅動器，配合幾個附加開關實現LED之間的切換，從而構成緊湊、經濟的投影儀設計。

　　本文提供的LED驅動器參考設計采用單個降壓轉換器依次為RGB LED提供10A電流驅動。MOSFETS Q8、Q9和Q10選擇并切換穩定的電感電流，基于PWM信號為其中一個RGB LED提供驅動。

　　MAX16821B buck轉換器的核心電路工作在平均電流控制模式，將10V至15V輸入電源電壓降至4.5V至6V LED正向偏壓。buck轉換器的工作頻率通過外部接地電阻設置。MODE引腳連接至GND，選擇IC工作buck驅動器模式。轉換器開關工作頻率為300kHz，該設置使得器件優化工作在以較小尺寸電感提供非常高的效率。

　　設計要求LED電流上升/下降時間小于1?s，為達到這一指標，必須選擇非常小的輸出濾波電容，從而增大了負載紋波電流。另外，如果選擇大于常規值的電感，電感紋波電流將保持在負載紋波電流以內。輸出端通過1?F電容（C11）將輸出電流擺率限制在10A/?s，防止寄生元件造成任何過沖。

　　LED驅動器通過電感控制并維持10A電流，按照任意瞬間需要驅動的LED，分別導通Q8、Q9或Q10，將電感電流切換到對應的LED。全部三個LED關閉時，電感電流通過Q4構成本地回路。

　　MAX16821器件有兩個控制環路：內部環路控制電感電流，外部環路確定驅動LED所需的電感電流。在降壓轉換器中，電感電流與LED電流相同。因此，控制電路被簡化為單個電感電流監測環路。本設計中，為防止電感電流的次級諧波振蕩，R5將電流誤差放大器增益限制在11.5V/V。電流環路補償沒有零-極點對，從而增大了低頻增益，使電感電流準確穩定在電壓環路的設置值。電壓誤差放大器將R11||R17兩端的LED檢流電壓與內部100mV基準進行比較，并提供70dB誤差增益。經過放大后的輸出驅動內部電流環路。即使內部電流環路增益較低，由于電壓誤差放大器的高增益也能夠使LED電流穩定在10A。

　　電感電流在RGB LED和Q4形成的本地環路之間切換，電壓誤差放大器輸出需要4級不同電平。因為這4種條件下的輸出電壓不同，所以需要4個電平。4個不同的補償電容（C7、C10、C13和C14）用于存儲電壓誤差放大器輸出，分別對應4種不同的負載條件。補償電容通過模擬開關（Q2、Q5、Q6和Q7）連接到電路，每次接通一路。一旦打開LED，對應的補償電容即刻將誤差放大器輸出調節至上次存儲電壓，從而使LED電流很快上升至10A。

　　內部電流環路吸收電感形成的極點，由LED動態阻抗和輸出電容C11構成的輸出極點，所產生的極點頻率遠遠高于開關頻率。電壓環路只有一個極性，為電壓誤差放大器的極點。補償電容（C7、C10、C13和C14）在原點構成一個極點，使電壓環路在1/10頻程通過0dB。

　　MAX15025雙通道MOSFET驅動器（U2、U3）驅動（Q2、Q5、Q6和Q7），在LED負載之間快速切換，電流擺率高達10A/1?s。由C9和R10構成的降損電路減緩了LX節點的開關邊沿，有助于抑制任何過沖/欠沖振鈴。如果輸出電壓超過*V，由R3和R4提供的過壓保護反饋將關斷U1。一旦輸出電壓降至5.4V以下，U1恢復開關操作。濾波電容C1防止由于噪聲引起的錯誤觸發。RC網絡提供從電源導通沿開始的3ms延遲，使U1在輸入電源穩定后開始工作。

　　電路波形

圖4. 示波器截圖顯示了其中一個LED （CH3）的電流

　　OUTV引腳（CH1）電壓代表電感電流的大??；CLP引腳（CH2）上的電壓代表PWM占空比。電感電流在整個周期內相同。藍光、綠光LED的PWM占空比幾乎相同，但紅光LED較小。在1?s內 LED電流上升并穩定至最終值。

　　溫度測量：

　　●VIN：12V

　　●IOUT：10A至RGB LED，每種顏色為20% PWM

　　●制冷：電路板被強制風冷

　　●電路板溫度：+53°C

　　●Q1、Q3外殼：+60°C

　　●Q4、Q8、Q9和Q10外殼：+58°C

　　●U1頂部：+53°C

　　●L1線圈溫度：+70°C

　　上電步驟

　　●將10A RGB LED連接至J5、J6和J7。

　　●保持PWMR、PWMG、PWMB和PWMN信號為低電平。

　　●將電源電壓逐漸增高至10V，觀察電流，電流應小于0.3A。

　　●施加PWM信號PWMR、PWMG和PWMB，PWM占空比為15%至20% （定位每個PWM脈沖，同時應只有一個PWM信號為高電平）。PWMN信號應為PWMR、PWMG和PWMB的數字或非。全部三個LED按照設定的占空比由10A電流交替驅動。