引言
從 DLP 投影機中的大電流 LED 到大功率激光二極管，在很多照明應(yīng)用中，都采用了能產(chǎn)生穩(wěn)定的大電流脈沖功率驅(qū)動器，例如：在高端視頻投影機中，大功率 LED 用來產(chǎn)生彩色照明。在這類投影機中，RGB LED 需要精確的調(diào)光控制，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的色彩混合，在這種情況下，可能需要提供比簡單的 PWM 調(diào)光更強的控制能力。一般情況下，為了實現(xiàn)色彩混合所需要的寬動態(tài)范圍，LED 驅(qū)動器必須能在兩種完全不同的穩(wěn)定峰值電流狀態(tài)之間快速切換，并同時進行 PWM 調(diào)光，而且不會造成任何問題。LT3743 能滿足這些苛刻的準(zhǔn)確度和速度要求。
LT3743 是一種同步降壓型 DC/DC 控制器，它采用固定頻率、平均電流模式控制方式，通過一個與電感器串聯(lián)的檢測電阻器準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)電感器電流。在 0V 至(VIN – 2V) 的輸出電壓范圍內(nèi)，LT3743 以 ±6% 的準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)任何負載的電流。
通過將準(zhǔn)確的模擬調(diào)光 (高和低狀態(tài)) 和 PWM 調(diào)光相結(jié)合，LT3743 實現(xiàn)了精確、寬范圍的 LED 電流控制。模擬調(diào)光通過 CTRL_L、CTRL_H 和 CTRL_T 引腳控制；PWM 調(diào)光則通過 PWM 和 CTRL_SEL 引腳控制。LT3743 獨特地采用了外部開關(guān)型負載電容器，因此能實現(xiàn)高和低模擬狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，從而允許 LT3743 在幾微秒的時間內(nèi)改變穩(wěn)定的 LED 電流值。開關(guān)頻率可以利用一個外部電阻器在 200kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)設(shè)定，而且可同步至一個 300kHz 至 1MHz 的外部時鐘。
圖 1：基本的開關(guān)型電容器拓撲
開關(guān)型輸出電容器拓撲
在傳統(tǒng)的穩(wěn)流器中，負載兩端的電壓存儲在輸出電容器中。如果負載電流突然變化，那么輸出電容器中的電壓必須充電或放電，以匹配新的穩(wěn)定電流。轉(zhuǎn)換時，對負載中的電流控制欠佳，從而導(dǎo)致了緩慢的負載電流響應(yīng)時間。
LT3743用一種獨特的開關(guān)型輸出電容器拓撲解決了這個問題，該拓撲實現(xiàn)了超快的負載電流上升和下降時間。這種拓撲的基本理念是，LT3743 充當(dāng)穩(wěn)定電流源，驅(qū)動負載。就給定電流而言，負載兩端的壓降存儲在第一個開關(guān)型輸出電容器中。當(dāng)需要不同的穩(wěn)定電流狀態(tài)時，第一個輸出電容器就關(guān)斷，而第二個電容器則接通。這使每個電容器都能存儲與想要的穩(wěn)定電流相對應(yīng)的負載壓降。
圖 1 顯示了具有各種控制引腳的基本拓撲。PWM 和 CTRL_SEL 引腳是數(shù)字控制引腳，決定穩(wěn)定電流的狀態(tài)。CTRL_H 和 CTRL_L 引腳是模擬輸入，具有 0V 至 1.5V 的滿標(biāo)度范圍，可在電流檢測電阻器兩端產(chǎn)生 0mV 至 50mV 的穩(wěn)定電壓。
圖 2：LED 電流 PWM 和 CTRL_SEL 調(diào)光
圖 3：采用開關(guān)型輸出電容器的[!--empirenews.page--] 24V、20A LED 驅(qū)動器
圖 2 示顯示了對應(yīng)于各種不同的 PWM 和 CTRL_SEL 引腳狀態(tài)的時序波形。當(dāng) PWM 為低電平時，所有切換都終止，兩個輸出電容器都與負載斷接。
盡管 LT3743 可以配置為采用開關(guān)型輸出電容器，但它適用于任何傳統(tǒng)的模擬和/或 PWM 調(diào)光電路。
開關(guān)周期同步
LT3743 將所有切換邊沿同步至 PWM 和 CTRL_SEL 的上升沿。就周期性或非周期性 PWM 調(diào)光脈沖而言，同步使系統(tǒng)設(shè)計師能自由地使用不同的脈沖寬度和占空比。就大電流 LED 驅(qū)動器而言，在從零電流或小電流狀態(tài)恢復(fù)至大電流狀態(tài)時，這是一種必不可少的特色。無論何時，只要 CTRL_SEL 或 PWM 信號變高，就重新啟動時鐘，這樣電感器電流就會立即開始斜坡上升，而不必等待時鐘的上升沿。沒有同步時，時鐘脈沖沿和 PWM 脈沖沿的相位關(guān)系是不受控制的，有可能在 LED 光輸出中引起可見抖動。當(dāng)在 SYNC 引腳應(yīng)用一個外部時鐘時，開關(guān)周期在 8 個開關(guān)周期內(nèi)重新同步至該外部時鐘。
一款采用開關(guān)型輸出電容器、面向高端 DLP 投影機的 24V、20A LED 驅(qū)動器
高端 DLP 投影機要求最高質(zhì)量的圖像和彩色重現(xiàn)。為了實現(xiàn)高的彩色準(zhǔn)確度，各個 LED 的彩色偏差都要通過與其他兩種彩色 LED 色彩的混合來校正。例如：當(dāng)紅光 LED 處于滿電流導(dǎo)通狀態(tài)時，藍光和綠光 LED 以低電流值接通，這樣它們的色彩就可以混合，以產(chǎn)生準(zhǔn)確的紅光。這種方法要求能在相對較低 (約 2A) 和相對較高 (約 20A) 的 LED 電流之間快速轉(zhuǎn)換，以保持 PWM 調(diào)光脈沖沿。圖 3 顯示了一款專供高端 DLP 投影機使用的 24V/20A LED 驅(qū)動器。
相對較低的 450kHz 開關(guān)頻率允許使用非常小的 1.0uH 電感器。在 25% 紋波電流時，大電流狀態(tài)和小電流狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時間約為 2us。1mF 的大輸出電容器存儲了兩種不同電流狀態(tài)下 LED 兩端的壓降，并在 MOSFET 調(diào)光開關(guān)接通時，提供瞬時電流。就實現(xiàn)快速 LED 電流轉(zhuǎn)換而言，采用幾個并聯(lián)的低 ESR 電容器是至關(guān)重要的。
圖 4：0A[!--empirenews.page--] 至 2A 至 20A 的 LED 電流階躍
圖 5：采用綠光 LED 時，12V、20A PWM 調(diào)光的效率
圖 6：具限流并聯(lián)輸出的 6V 至 36V 輸入、2A LED 驅(qū)動器
圖 7：0A 至 2A 限流并聯(lián)輸出 PWM 調(diào)光[!--empirenews.page--]
穩(wěn)定的大電流和小電流由 VREF 引腳與 CTRL_L 和 CTRL_H 引腳之間的分壓器設(shè)定。VREF 引腳上的 ±2%、2V 基準(zhǔn)還用來向連接到 CTRL_T 引腳的過熱減額電路 (參見后面“過熱時降低 LED 電流”一節(jié)) 提供基準(zhǔn)信號。
為了減小可能較大的啟動電流，LT3473 運用了一種獨特的軟起動電路，以節(jié)制穩(wěn)定電流，從而在軟起動引腳充電至 1.5V 時，提供全驅(qū)動。為了最大限度地縮短不同電流值轉(zhuǎn)換的時間，LT3743 對每種電流值都提供了單獨的補償，這樣電流控制環(huán)路就可以盡快回復(fù)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。圖 4 顯示了從 0A 至 2A 至 20A 的 LED 電流階躍。
在寬 PWM 占空比范圍內(nèi)提供高效率
在便攜式 DLP 投影機中，功耗是一個至關(guān)重要的設(shè)計參數(shù)。與目前市場上很多并聯(lián)型大電流 LED 驅(qū)動器不同，LT3743 在很寬的 PWM 占空比范圍內(nèi)具有非常高的效率。通過僅向負載提供功率，而不是將功率分流或給輸出電容器充電，常見的傳統(tǒng) PWM 調(diào)光驅(qū)動器中損失的大多數(shù)能量都能節(jié)省下來。圖 5 顯示以 0A 至 20A 的電流在整個占空比范圍內(nèi)驅(qū)動一個綠光 LED 和 VIN = 12V 時的效率。
圖8：具開關(guān)型陰極 PWM 調(diào)光的 6V 至 30V 輸入、20A LED 驅(qū)動器
停機和準(zhǔn)確啟動
當(dāng)提供大的負載電流時，正確工作所需的電源欠壓閉鎖 (UVLO) 遲滯量在很大程度上取決于電路板布局。為了實現(xiàn)最大的靈活性，LT3743 納入了一個具 5.5uA 電流源的準(zhǔn)確啟動門限，當(dāng) EN/UVLO 引腳電壓低于 1.55V 時，該電流源的電流流入該引腳。利用一個接在輸入電源和地之間的分壓器，可給系統(tǒng)增加任意遲滯量。為了在便攜式應(yīng)用中節(jié)能，當(dāng) EN/UVLO 引腳電壓低于 0.5V 時，LT3743 將徹底停用，且電源電流降至低于 1uA。[!--empirenews.page--]
過熱時降低 LED 電流
在大電流負載情況下，要保護昂貴的大電流 LED 并防止在整個系統(tǒng)范圍內(nèi)造成損壞，恰當(dāng)?shù)臒崃抗芾硎侵陵P(guān)重要的。在大和小控制電流情況下，LT3743 都用 CTRL_T 引腳來降低負載中有效的穩(wěn)定電流。當(dāng) CTRL_T 引腳電壓低于 CTRL_L 或 CTRL_H 引腳上的控制電壓時，穩(wěn)定電流將減小。過熱減額用連接在 VREF 引腳和地之間隨溫度而變化的電阻分壓器來設(shè)定。
輸出電壓保護
要防止損壞昂貴的投影機 LED， 輸出電壓保護很重要。LT3743 通過 FB 引腳為輸出提供一個穩(wěn)定電壓點。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，LT3743 采用了一個內(nèi)部 1V 基準(zhǔn)，從而在 FB 引腳電壓達到 900mV 時，緩慢降低穩(wěn)定電流。
強大的柵極驅(qū)動器
為了提供足夠的驅(qū)動能力，并降低大電流功率 MOSFET 中的開關(guān)損耗，LT3743 采用了非常強大的開關(guān) MOSFET 驅(qū)動器。LG 和 HG PMOS 上拉驅(qū)動器的導(dǎo)通電阻通常為 2.5Ω。LG 和 HG NMOS 下拉驅(qū)動器的導(dǎo)通電阻一般低于 1.3Ω。因為導(dǎo)通電阻非常低，所以兩個大電流 MOSFET 可以并聯(lián)起來，用在超過 20A 的應(yīng)用中。目前市場上大多數(shù) LED 驅(qū)動器都沒有為調(diào)光 MOSFET 提供足夠的柵極驅(qū)動能力，因而需要一個額外的外部柵極驅(qū)動器。LT3743 在 PWMGL 和 PWMGH 驅(qū)動器中集成了這種驅(qū)動器，并具有 2Ω 的典型 NMOS 下拉電阻和 3.7Ω 的典型 PMOS 上拉電阻，以驅(qū)動任何 5V 調(diào)光 MOSFET。
傳統(tǒng)的 PWM 調(diào)光
LT3743 適用于任何傳統(tǒng)的 PWM 調(diào)光方法。同類 LED 驅(qū)動器采用的并聯(lián)型輸出調(diào)光浪費能量，且在 LED 占空比低于約 50% 時效率不佳。由于 LT3743 有兩個穩(wěn)定電流值，因此當(dāng)使用分路器時，穩(wěn)定電流可降至零。這使得即使在低 LED 占空比時，也能提供非常高的效率。
圖 6 顯示了一個配置為限流并聯(lián)輸出的 2A LED 驅(qū)動器。請注意：CTRL_L 引腳接地，PWMGL 引腳用來驅(qū)動并聯(lián) MOSFET，而CTRL_SEL 引腳用于調(diào)光。由于 CTRL_L 引腳接地，因此當(dāng) CTRL_SEL 引腳為低電平時，使用分路器，而且電感器中的電流穩(wěn)定于 0A。當(dāng) CTRL_SEL 引腳為高電平時，并聯(lián) MOSFET 關(guān)斷，且穩(wěn)定電流由 CTRL_H 引腳上的電壓決定。圖 7 顯示了采用 12V 輸入的限流并聯(lián)型 PWM 調(diào)光。
圖 9：0A 至 20A [!--empirenews.page--]開關(guān)型陰極 PWM 調(diào)光
除了分路器配置，LT3743 還可配置為驅(qū)動與 LED 陰極串聯(lián)的調(diào)光 MOSFET。當(dāng)不需要多種電流狀態(tài)時，這是首選的 PWM 調(diào)光方法。圖 8 說明了具開關(guān)型陰極 PWM 調(diào)光的 6V 至 30V、20A LED 驅(qū)動器。圖 9 顯示了具 0A 至 20A 電流階躍和 100:1 調(diào)光比的開關(guān)型陰極 PWM 調(diào)光。
結(jié)論
LT3743 產(chǎn)生超快的大電流 LED 上升時間，同時提供準(zhǔn)確的電流調(diào)節(jié)。該器件能支持多種電流狀態(tài)，通過允許 LED 色彩非常容易地混合，可滿足用于劇院的高性能 DLP 投影機的需求。除了速度快，LT3743 的開關(guān)型電容器拓撲還允許使用緊湊和低值電感器，從而減小了所占用的電路板面積。其他特點包括開關(guān)周期同步、過壓保護、高效率和非常容易地適應(yīng)各種不同的應(yīng)用需求。
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