新型6W四通道LED驅(qū)動器 CAT4106及其應(yīng)用*

O 引言
    CAT4106是安森美半導(dǎo)體公司新近推出的6W發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動器，該器件集成有大功率DC—DC升壓轉(zhuǎn)換器，并帶有片上診斷功能。CAT4106不但是一款多通道的升壓型LED驅(qū)動器，也能夠驅(qū)動4串、多達(dá)40個白光LED。其每串的電壓可達(dá)36 V，總共可以輸出6 W的LED驅(qū)動功率。
    CAT4106內(nèi)置診斷功能，設(shè)計人員可通過外部編程電阻來設(shè)定最低及最高電壓限制，以確定LED串可接受的工作電壓范圍。該功能還可檢測到任何不在開路或短路LED設(shè)定范圍內(nèi)穩(wěn)流的通道，并將其標(biāo)記在故障(FAULT)邏輯輸出端。此外，CAT4106還具有熱關(guān)斷及過壓保護(hù)(OVP)功能。該器件在175 mA電流時，其LED通道壓降僅為500 mV。CAT4106具有PWM接口，可支持2 kHz的脈寬頻率，即便器件完全偏置也能提供精確、高精度的調(diào)光控制。

1 CAT4106的主要特點(diǎn)
    CAT4106內(nèi)部集成有多通道的LED驅(qū)動器和大功率DC／DC轉(zhuǎn)換器，可輸出總共6 W的LED功率，以用于大功率面板的背光應(yīng)用，同時可驅(qū)動四組匹配的LED串，并可通過一個外部電阻來實現(xiàn)對驅(qū)動電流的精確編程和控制。CAT4106的每個通道可為LED串輸出高達(dá)36 V的電壓。
    利用CAT4106內(nèi)置的診斷功能可自動調(diào)節(jié)輸出電壓，并可以最低的電壓裕量來進(jìn)行LED驅(qū)動，從而提升背光能效，減少電路板的占用空間。通過CAT4106的EN／PWM邏輯引腳可支持多種頻率，從而控制高分辨率的調(diào)光比，保證器件在完全偏壓的情況下，對PWM的準(zhǔn)確調(diào)光控制。當(dāng)EN／PWM引腳置低時，CAT4106會進(jìn)入完全關(guān)斷模式。四通道LED驅(qū)動器CAT4106的主要特點(diǎn)如下：
    ◇具有緊湊電流匹配的四路LED通道；
    ◇內(nèi)部集成有DC／DC升壓轉(zhuǎn)換器；
    ◇具有可達(dá)6 W的LED輸出功率；
    ◇效率可達(dá)92％；
    ◇具有低壓差LED通道(175 mA時為500mV)；
    ◇帶有高頻率PWM接口(最高可達(dá)2 kHz)；
    ◇具有可調(diào)節(jié)的短路/開路LED保護(hù)功能；
    ◇LED的通道電流和電壓可通過編程調(diào)節(jié)和控制：
    ◇具有熱關(guān)斷保護(hù)功能；
    ◇采用16引腳4X4的TQFN和帶散熱盤的TSSOP封裝，符合RoHS規(guī)范要求。

2 CAT4106的引腳功能
    CAT4106采用16引腳4X4的TQFN和帶散熱盤的TSSOP無鉛封裝，圖1所示是其采用TSSOP封裝的引腳排列圖，各引腳功能如下：

    VIN：CAT4106的電源電壓輸入端。VIN端的電壓應(yīng)在3~5．5 V的范圍內(nèi)，同時，在使用時，還應(yīng)在該引腳的近端接一個O．1μF以上的小型陶瓷旁路電容。
    EN／PWM：芯片使能及LED通道的PWM調(diào)光控制輸入端。該端的邏輯高、低電平分別應(yīng)設(shè)在1．3 V和0．4 V。應(yīng)當(dāng)說明的是，EN／PWM具有5 ms的遲延，也就是說，EN／PWM置低至少5 ms后，CAT4106才會進(jìn)入“零”電流關(guān)斷模式。CAT4106內(nèi)部有200 kΩ的下拉電阻。RSET：REST電阻端，電壓調(diào)節(jié)控制引腳。CAT4106可通過檢測LED通道上的可編程電流的大小來自動調(diào)節(jié)電壓。正常工作時，REST端的電壓保持在1．2V，而且該端還能準(zhǔn)確監(jiān)測外部R1上的電流大小。REST端到LED上的電流傳輸比為100。
    LEDl～4：LEDl～4的陰極終端?？蔀長ED提供可調(diào)電流源，以滿足驅(qū)動LED串所需的緊湊匹配連續(xù)電流要求。每個LED通道的驅(qū)動電流可達(dá)175mA。另外，各通道的偏置電壓應(yīng)不低于0．6V，以使其性能達(dá)到最佳。需注意的是：一旦CAT4106的EN／PWM置低，則所有通道將立即進(jìn)入高阻態(tài)。
    CTRL：LED信道工作電壓(4通道中的最低電壓)的復(fù)用輸出端。其控制信號可用于選擇四組LED輸出驅(qū)動通道電壓中的最低工作電壓，即具有最大正向電壓(Vf)的LED串的陰極終端電壓?？梢酝ㄟ^位于CTRL和FB之間的外部電阻網(wǎng)絡(luò)來設(shè)置每個通道的最低工作電壓。需要注意的是，該端的外部電流應(yīng)不低于25μA。
    FB：LED通道工作電壓的反饋基準(zhǔn)，也是內(nèi)部DC／DC的電壓反饋控制引腳。正常工作狀態(tài)下，該端需有高阻抗輸入，其電壓應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)整至O．3 mV。
    SW：內(nèi)部功率FET開關(guān)輸出端。CAT4106內(nèi)部的高壓CMOS功率開關(guān)具有典型值為1Ω的導(dǎo)通電阻和1 A的流限。當(dāng)電路的瞬態(tài)電壓高于40 V時，CAT4106會進(jìn)入軟箝位的低功率狀態(tài)。
    VFMIN：內(nèi)部比較器低限輸入端，用于設(shè)置LED串的開路電壓門限?？捎靡粚ν獠侩娮鑱碓O(shè)置LED串的最小正向電壓(VEMIN)。CAT4106在上電期間，若沒有達(dá)到1．2 V編程電壓(VFMIN<1．2V)，且LED串處于完全正常狀態(tài)，則說明該串中有短路的LED。一旦檢測出有短路LED，CAT4106會立即對該串做故障標(biāo)記。不用檢測時，應(yīng)將該引腳接地。
    VFMAX：內(nèi)部比較器高限輸入端，用于設(shè)置LED串的短路電壓限制?？赏ㄟ^一對外部電阻來設(shè)置LED串的最大正向電壓(VFMAX)。在未達(dá)到編程電壓前，若有LED串的電壓進(jìn)入正常范圍，則應(yīng)考慮該串中有開路的LED。一旦檢測出有開路LED，CAT4106會立即對該串做故障標(biāo)記，并在其內(nèi)部相應(yīng)的通道做上標(biāo)記，并忽略該通道。若所有的通道均處于開路狀態(tài)，其輸出電壓(LED陽極頂端)則為VFMAX。VFMAX輸入電路由基準(zhǔn)為1．2 V的比較器構(gòu)成。無需檢測時，該引腳接地。
    FAULT：LED開路／短路故障檢測輸出端。低電平有效，當(dāng)LED出現(xiàn)短路或開路時，該引腳有效。首次使用CAT4106時，其故障條件下的診斷頻率就已被初始化。該引腳必須用100 kΩ的上拉電阻與VIN相連，且CAT4106的下拉阻抗不應(yīng)超過100 Ω的典型值。
    PGND：電源地基準(zhǔn)端，也是DC／DC轉(zhuǎn)換器中的高壓CMOS功率開關(guān)的源極終端。設(shè)計電路時，其旁路電路中的電感應(yīng)盡可能地靠近該引腳，且PGND的返回電流也應(yīng)與PCB的接地板相連。
    GND：CAT4106的信號地基準(zhǔn)。電路中的所有模擬控制電壓都是以該電壓為基準(zhǔn)的。另外，所有LED驅(qū)動電流也都流過GND。
    N．C：懸空。
    TAB：CAT4106封裝的內(nèi)部焊點(diǎn)，使用時應(yīng)與PCB的接地板相接。

3 應(yīng)用電路功能設(shè)計
    實際應(yīng)用中，CAT4106可以驅(qū)動四組相互獨(dú)立的LED陣列，圖2所示是其內(nèi)部功能和應(yīng)用設(shè)計電路圖。設(shè)計時，用戶可以根據(jù)情況自行設(shè)置輸出驅(qū)動通道上的工作電壓，以獲得最佳性能。輸出電壓(LED陽極)為所調(diào)通道的電壓與LED串的最大正向電壓之和。另外，CAT4106內(nèi)部所集成的DC／DC升壓轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生驅(qū)動LED串所需的高電壓。當(dāng)用12 V電源供電時，其LED的功率最高可達(dá)6W。

3．1 LED電流設(shè)置
    通過CAT4106所提供的四組緊湊匹配電流可以精確調(diào)整每個LED通道上的電流。用戶可通過外部REST與GND間的電阻R1來調(diào)節(jié)電流的大小，每個通道上的電流最大可達(dá)175mA。下式是Rl與每個通道的LED電流之間的關(guān)系式，具體各值見表1所列。

3．2 通道電壓的設(shè)置
    每個通道的最低工作電壓均可由CTRL、FB與GND間的電阻R2、R3通過下式來編程控制：

   
    在大多數(shù)應(yīng)用中，每個LED通道至少都需要0．5V的負(fù)載裕量電壓。推薦使用2倍增益(R2=R3)。當(dāng)負(fù)載電流與R3(20 kΩ)上的電流相等，即均為15μA時，CTRL輸出引腳的性能最佳。
3．3 VFMIN電平的設(shè)置
    VFMIN電平指的是LED串所能正常工作的最低電平，該電平的大小可由所串聯(lián)的LED的數(shù)量及其正常工作時所需的最小正向電壓VF的大小決定。若取每串LED的數(shù)量為6，每個LED上所需的正向電壓為3．5V±0．5V。由于每個LED的最小電壓為3．0V，那么，總的最小正電壓應(yīng)為18V，也就是說，任何低于18V電壓的LED串就會被認(rèn)為有一個或多個LED出現(xiàn)短路故障。圖2中的電阻R6的值可由下式得出：

   
3．4 VFMAX電平的設(shè)置
    VFMAX電平指的是LED串所能正常工作的最高電平，該電平的大小可由所串聯(lián)的LED的數(shù)量及其正常工作時所需的最大正向電壓VF的大小決定。當(dāng)每串LED的數(shù)量為6時，每個LED上所需的正向電壓為3．5 V±O．5 V。由于每個LED的最大電壓為4．0 V，那么總的最小正電壓應(yīng)為24 V，即：設(shè)計中任何高于20 V電壓的LED串就會被認(rèn)為有一個或多個LED出現(xiàn)開路故障。圖2中的電阻R4可由下式得出：

   
    若將斷開的LED串重新連上，則CAT4106會在其EN端由低到高跳變后被重新激活，同時FAULT故障標(biāo)志也會被取消，相應(yīng)的通道也會激活。若所有的LED通道都處于開路狀態(tài)，則其內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓即為VFMAX，這樣就可省去外部的齊納二極管。
3．5 EM／PWM調(diào)光控制
    EN／PWM輸入信號具有兩個相互獨(dú)立的功能，一是可通知禁止所有器件；二是當(dāng)所有器件處于激活狀態(tài)時，可以在輸出通道上進(jìn)行PWM調(diào)光控制。當(dāng)EN／PWM輸入端置高時，可為CAT4106加電，一般情況下，即使PWM信號正在使用，也仍然可以進(jìn)行加電操作。EN／PWM置低5 ms后，CAT4106會被禁止并完全與系統(tǒng)斷開。
    EN／PWM端的占空比可直接應(yīng)用到所有輸出通道，一旦EN／PWM輸入為低，這些通道即被立即關(guān)閉；而在其PWM重新置高后，通道也會恢復(fù)正常工作。通道的開關(guān)轉(zhuǎn)換響應(yīng)時間為0．2μs。進(jìn)行PWM調(diào)光時，其脈寬間隙的最短時間為0．2μs；只有應(yīng)用在低脈沖間隙時，才會有最寬2．5 ms的脈沖間隙。需注意的是：脈沖持續(xù)時間延長至2．5 ms時，可能會使CAT4106進(jìn)入完全關(guān)斷狀態(tài)，而且LED通道的響應(yīng)時間也會隨之增加。
    在大多數(shù)應(yīng)用中，可以由PWM時鐘頻率來設(shè)置調(diào)光比，頻率范圍為100 Hz～2 kHz。在1 kHz的PWM頻率時，其脈寬間隙為lμs，此時的調(diào)光比可達(dá)1000：1。

4 外部組件的選擇設(shè)計
    若將各LED引腳串接成串，CAT4106仍可驅(qū)動一個或兩個這樣的串。只要電源有足夠的驅(qū)動能力，CAT4106也可用在LED電流大于175 mA的場合，此時的LLED通道也是被緊密排列在一起的。圖3所示是用CAT4106驅(qū)動一個LED串的應(yīng)用電路圖，其中的LED電流是通道電流的4倍。

4．1 電容的選擇
    CAT4106所需的外部外部電容有VIN端的1μF小陶瓷電容C1、電感輸入端的4．7μF電容C2及輸出端10μF的電容C3。通常，C2取4．7μF已能滿足需要。各個電容的電壓額定值需與所需的最大電壓相兼容。輸出端的C3可用于防止LED斷開。因此，推薦使用X5R和X7R類型的電容，它們在高溫時仍然具有很好的穩(wěn)定性。
4．2 電感的選擇
    多數(shù)應(yīng)用中，都可采用47μH的電感。而在有些效率要求比較高的應(yīng)用中，則需使用低串聯(lián)阻抗的電感，通常其額定電流不能小于1 A，推薦用CR73—470工藝的電感。

4．3 肖特基二極管
    肖特基二極管的額定電流必須高于流過其本身的峰值電流，推薦額定電流為1A的肖特基二極管。肖特基二極管的性能可由所給電流的正向電壓所決定，該正向電壓應(yīng)盡量低，以便能夠達(dá)到更高的效率。由于CAT4106工作在1 MHz時的響應(yīng)時間也有嚴(yán)格限制。故此，推薦使用NXPPMG6010CEJ(60V／1A)。
4．4 電路板布局
    在進(jìn)行電路板的布局時，應(yīng)使PCB板具有良好的散熱性能。多數(shù)組件都應(yīng)與CAT4106的襯墊一起連接至其封裝下的接地盤上。輸入電容C1應(yīng)盡量靠近CAT4106。其RSET的電阻Rl和通道電壓設(shè)置電阻R3應(yīng)采用Kelvin方式與CAT4106的GND相連。

5 結(jié)束語
    CAT4106是安森美半導(dǎo)體推出的集成有診斷功能和大功率DC／DC轉(zhuǎn)換器的多通道LED驅(qū)動器，其內(nèi)置的片上診斷功能能自動調(diào)節(jié)輸出電壓，并可以最低的余量(head room)電壓來驅(qū)動最高的正向電壓(Vf)串，從而幫助設(shè)計人員提升背光能效，減少電路板占用空間。由于CAT4106的大功率DC／DC轉(zhuǎn)換器可使其LED的輸出功率達(dá)到6W，因此可廣泛應(yīng)用于汽車及較大尺寸的通用液晶顯示LCD面板的背光。同時，設(shè)計者也可利用CAT4106的外部可編程電阻來設(shè)置最低和最高電壓限制，以使LED串可以工作在最佳的工作電壓范圍。