LED背光SEPIC驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

概述

該參考設(shè)計(jì)用于12英寸TFT顯示器的LED背光驅(qū)動(dòng)。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(tài)電壓 VBIAS：

3.3V (50mA) PWMIN：

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

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

詳細(xì)圖片(PDF, 51.64kB)

圖1. MAX16809驅(qū)動(dòng)器電路板

詳細(xì)圖片(PDF, 14.83kB)

圖2. 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)原理圖

電路簡述

該參考設(shè)計(jì)采用MAX16809作為SEPIC電源和16通道LED驅(qū)動(dòng)器的主控制器。16個(gè)通道以每對為一組，驅(qū)動(dòng)8路并聯(lián)的LED串。SEPIC電源允許輸入電壓大于或小于輸出電壓，這種拓?fù)浞浅＿m合汽車環(huán)境下的LED應(yīng)用，因?yàn)檫@種環(huán)境下輸入、輸出電壓波動(dòng)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(guān)頻率也不會(huì)導(dǎo)致開關(guān)MOSFET過熱。耦合電感L1由Coilcraft®生產(chǎn)，提供SEPIC電源所需的初級和次級電感。由于使用耦合電感結(jié)構(gòu)，與采用兩個(gè)分離電感的方案相比，該設(shè)計(jì)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(dāng)PWM信號關(guān)閉負(fù)載使其電流為零時(shí)，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(gè)8引腳連接器提供：VLED+靠近連接器外側(cè)，VLED-靠近連接器內(nèi)側(cè)。必要時(shí)可以使用所提供的輸出濾波電容焊盤；本設(shè)計(jì)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(bǔ)償。該電路跟隨RTCT電壓波動(dòng)，向R7注入電流，從而產(chǎn)生斜坡電壓，防止在占空比超過50%時(shí)(當(dāng)輸入電壓較低時(shí))導(dǎo)致控制器諧波振蕩。

SEPIC反饋路徑分兩種模式：自適應(yīng)和靜止。自適應(yīng)模式(當(dāng)PWM信號為高時(shí))下將產(chǎn)生“二極管或”輸出，從而使最低驅(qū)動(dòng)器電壓(最大LED串聯(lián)壓降)被調(diào)整到大約700mV，為保證LED驅(qū)動(dòng)器正常工作提供足夠裕量。其它LED串具有較低的串聯(lián)壓降，所以這些驅(qū)動(dòng)器具有更大裕量。自適應(yīng)模式把由線性LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的功耗降至最低。該模式下，當(dāng)LED的絕對正向?qū)妷翰惶珖?yán)格時(shí)，LED之間正向?qū)妷旱南鄬φ`差應(yīng)控制在200mV以內(nèi)。為改善散熱，MAX16809必須與大面積覆銅層之間有良好的導(dǎo)熱通道，可通過封裝裸焊盤下方的過孔實(shí)現(xiàn)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(huì)更好。

靜止模式下(PWM信號為低)，按照與傳統(tǒng)電源類似的方式調(diào)整VLED，電壓上升至在很短的脈沖內(nèi)保證工作的電壓值。因?yàn)殡娫创艌鰺o法在很短的脈沖內(nèi)快速建立足夠的儲(chǔ)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(dá)到足夠的儲(chǔ)能，在電感響應(yīng)之前維持足夠的能量。

齊納二極管D10為電路提供過壓保護(hù)，如果一串LED斷開，自適應(yīng)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(huì)損壞電路，但LED驅(qū)動(dòng)器的功耗可能導(dǎo)致MAX16809過熱。芯片內(nèi)部電路將關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器，直到溫度下降到適當(dāng)值，這會(huì)導(dǎo)致LED閃爍。

通過R5 (511Ω)將LED驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置在35mA，如果將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)一串LED，則每串的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到70mA。

施密特反相觸發(fā)器U2配置成振蕩器，為MAX16809的SPI輸入提供時(shí)鐘。由于DIN接高電平，將向內(nèi)部寄存器輸入一串“1”，開啟所有LED驅(qū)動(dòng)器。U2還用于對PWM信號反相轉(zhuǎn)換，以滿足MAX16809的OE#輸入要求。

Q3-D11-R16電路預(yù)先調(diào)整MAX16809 PWM控制器的輸入電源。簡單的線性穩(wěn)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(qū)動(dòng)。LED驅(qū)動(dòng)器輸入(V+)需要外接3.3V電源(原PCB的替換方案)。LED驅(qū)動(dòng)器的最大驅(qū)動(dòng)電流為50mA。

性能測試和結(jié)果

詳細(xì)圖片(PDF, 34.14kB)

圖3. VIN = 18V、VIN = 36V時(shí)的MOSFET電流和電壓

詳細(xì)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(yīng)模式下交替轉(zhuǎn)換

詳細(xì)圖片(PDF, 40.38kB)

圖5. 1.5ms和3.5ms脈沖的LED驅(qū)動(dòng)器電壓、VLED電壓和MOSFET電流，VLED進(jìn)入自適應(yīng)模式之前LED驅(qū)動(dòng)器電壓保持高電平

溫度測量

以下溫度參數(shù)采用8個(gè)400Ω電阻作為負(fù)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

上電流程

1. 每路輸出連接一串8只LED，LED串的正極連接至輸出連接器外側(cè)；LED串的負(fù)極連接至輸出連接器的內(nèi)側(cè)。

2. 將沒有上電的3.3V電源連接到J5，務(wù)必確認(rèn)極性正確。

3. 將沒有上電的18V至36V (2A額定電流)電源連接至系統(tǒng)輸入，務(wù)必確認(rèn)極性正確。

4. 打開電源，上電順序沒有嚴(yán)格要求。

5. 在J4提供250Hz脈沖波，脈沖擺幅為0V至3.3V，占空比為0.1%至100%。

6. 檢流電阻R3兩端的大尺寸過孔提供低噪探頭，可以連接一個(gè)接地線圈和單端示波器探頭。