利用高調(diào)光比LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)大功率照明方案

LED照明解決方案廣受歡迎的原因之一，是LED能通過(guò)簡(jiǎn)單的電流控制來(lái)獲得很寬的調(diào)光范圍，比如汽車(chē)儀表盤(pán)和飛機(jī)駕駛員座艙等環(huán)境照度可能非常低的應(yīng)用場(chǎng)合就需要非常寬的PWM調(diào)光范圍。凌力爾特公司的LT3478和LT3478-1是單芯片升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，能在很寬的可設(shè)置范圍內(nèi)利用恒定電流來(lái)驅(qū)動(dòng)高亮度LED。除了可選的10:1模擬調(diào)光范圍之外，LT3478和LT3478-1還具有3000:1的PWM調(diào)光范圍，可以保持LED的色彩。

LT3478和LT3478-1的易用性很好，并具有旨在優(yōu)化性能、可靠性、外形尺寸和總成本的可編程功能。這些器件可工作在升壓、降壓和降升壓型LED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。它們所能提供的LED電流大小取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最高可達(dá)4A。LT3478和LT3478-1是大功率LED應(yīng)用(包括汽車(chē)和航空電子照明)的理想選擇，它們采用16引腳耐熱增強(qiáng)型TSSOP封裝，具有E級(jí)或I級(jí)溫度額定值。
 

圖1：面向汽車(chē)TFT LED背光應(yīng)用的升壓型LED驅(qū)動(dòng)電路。

LT3478和LT3478-1的工作原理與傳統(tǒng)的電流式升壓型轉(zhuǎn)換器相似，但它們采用LED電流(而不是輸出電壓)作為控制環(huán)路的主反饋源。圖2給出了各部分的主要功能。這兩款器件均采用高壓側(cè)LED電流檢測(cè)，以便可以工作在降壓和降升壓模式。LT3478-1通過(guò)集成電流檢測(cè)電阻器來(lái)節(jié)省空間和成本，并將最大LED電流限制為1.05A。LT3478采用外部檢測(cè)電阻器，允許最大可編程LED電流為4A。
 

圖2：LT3478和LT3478-1功能框圖。

設(shè)置最大LED電流

調(diào)光的電流控制是一個(gè)重要的特性，但避免LED過(guò)驅(qū)動(dòng)(超過(guò)其最大額定電流)也同樣很重要。LT3478和LT3478-1使設(shè)置最大電流以及根據(jù)溫度降低最大電流變得非常容易。
 

圖3：用來(lái)設(shè)置最大LED電流的電路連接圖。

LT3478和LT3478-1利用CTRL1引腳電壓來(lái)控制最大LED電流，除非器件被設(shè)置為根據(jù)溫度降低最大LED電流(利用CTRL2引腳來(lái)完成)。可以利用從VREF(見(jiàn)圖3)或外部電壓電源引出的簡(jiǎn)單電阻分壓器來(lái)設(shè)置CTRL1引腳電壓，也可以直接將CTRL1連接至VREF引腳，以提供最大電流。圖4給出了LED電流與CTRL1引腳電壓的關(guān)系曲線。

圖4：LED電流與CTRL1引腳電壓的關(guān)系曲線。

根據(jù)溫度降低最大LED電流

為確保最佳的可靠性，LED制造商規(guī)定了最大容許LED電流與溫度的關(guān)系曲線(圖5)。如果不根據(jù)溫度調(diào)節(jié)最大LED電流，可能對(duì)LED造成永久損壞。
 

圖5：LED電流下降曲線與環(huán)境溫度的關(guān)系。

圖6：設(shè)置LED電流降額曲線與溫度的關(guān)系。

LT3478和LT3478-1通過(guò)CTRL2引腳來(lái)降低電流。如圖6所示，只需通過(guò)一個(gè)與溫度有關(guān)的電阻分壓器把CTRL2引腳連接至VREF即可。當(dāng)溫度上升時(shí)，CTRL2引腳電壓下降，當(dāng)CTRL2引腳電壓降至低于CTRL1引腳電壓時(shí)，則由CTRL2引腳電壓設(shè)置最大LED電流(圖7)。

LED電流開(kāi)始下降時(shí)的溫度以及電流下降的快慢由所采用的電阻網(wǎng)絡(luò)/阻值來(lái)選擇。表1列出了NTC電阻器制造商村田電子、TDK和Digi-Key的網(wǎng)站信息。Murata Electronics(村田電子)公司特別提供了一個(gè)用于選擇所需的電阻器組合形式(如圖6所示)的在線仿真程序，其中包括一份說(shuō)明NTC電阻器規(guī)格的產(chǎn)品目錄。圖5給出了LT3478-1編程LED電流下降與溫度關(guān)系曲線的一個(gè)實(shí)例，采用的是圖6所示的可選方案C，其中：R4=19.3k、RY=3.01k、RNTC=22k(NCP15XW223J0SRC)。有關(guān)如何通過(guò)手工計(jì)算來(lái)確定這些數(shù)值的更加詳盡的描述，請(qǐng)查閱LT3478和LT3478-1的數(shù)據(jù)表。

表1：NTC電阻器制造商/分銷(xiāo)商。
 

圖7：CTRL1和CTRL2引腳電壓與溫度的關(guān)系曲線。
 

模擬調(diào)光

許多LED應(yīng)用都需要進(jìn)行準(zhǔn)確的亮度控制?？梢院?jiǎn)單地通過(guò)減小LED電流來(lái)降低LED亮度，這種方法被稱(chēng)為"模擬調(diào)光"，但減小LED的工作電流會(huì)改變LED的色彩。LT3478和LT3478-1可以通過(guò)把CTRL1引腳電壓從1V降至0.1V來(lái)實(shí)現(xiàn)10:1調(diào)光。如果色彩保持特性很重要，PWM調(diào)光是一種更好的可選方案。
 

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圖8：PWM調(diào)光通過(guò)PWM引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖9：PWM調(diào)光波形，當(dāng)PWM引腳為有效高電平或低電平時(shí)，LED電流分別為最大值或0。

PWM調(diào)光

PWM調(diào)光(圖8和圖9)可產(chǎn)生很高的調(diào)光比，且不會(huì)導(dǎo)致與電流有關(guān)的LED色彩變化。LT3478和LT3478-1的PWM調(diào)光是通過(guò)PWM引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)PWM引腳為有效高電平(TPWM(ON))或低電平時(shí)，LED電流分別為最大值或0。LED的導(dǎo)通時(shí)間(或者平均電流)受控于PWM引腳的占空比。由于LED始終工作于相同的電流條件下(最大電流由CTRL1引腳設(shè)置)，而只有平均電流發(fā)生變化，所以調(diào)光不會(huì)導(dǎo)致LED的色彩改變。

PWM調(diào)光并不是一個(gè)新技術(shù)，但要實(shí)現(xiàn)高PWM調(diào)光比(需要極低的PWM占空比)卻頗具挑戰(zhàn)性。LT3478和LT3478-1采用一種專(zhuān)利架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)超過(guò)3000:1的PWM調(diào)光比(100Hz)。圖10的應(yīng)用電路可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)3,000:1的PWM調(diào)光比，前提是PWM導(dǎo)通時(shí)間被縮減至3個(gè)開(kāi)關(guān)周期(當(dāng)fPWM=100Hz時(shí)，TPWM(ON)<3.3μs)。圖11和12是圖10的相應(yīng)關(guān)系曲線和波形。

圖10：專(zhuān)為高PWM調(diào)光比而優(yōu)化的升壓型LED驅(qū)動(dòng)器電路。

利用PWM引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)最大PWM調(diào)光比(PDR)滿足以下關(guān)系式：

PWM調(diào)光比=1/最小PWM占空比=1/(TPWM(ON)MIN·fPWM)

圖10中的簡(jiǎn)化波形和下面給出的準(zhǔn)則說(shuō)明了PWM占空比、PWM頻率、PWM調(diào)光比和LED電流之間的關(guān)系：

1. 對(duì)于100Hz的PWM頻率(fPWM)，一個(gè)數(shù)值為3,000的PDR意味著3.3μs的PWM導(dǎo)通時(shí)間。

2. 對(duì)于固定的PWM導(dǎo)通時(shí)間，PWM頻率越低，PWM調(diào)光比就越高。但對(duì)最低可以把PWM頻率控制到什么水平是有限制的，因?yàn)槿搜蹠?huì)感覺(jué)到頻率低于80Hz的閃爍。

3. 提高編程開(kāi)關(guān)頻率(fOSC)可以提高PDR，但會(huì)導(dǎo)致效率下降和內(nèi)部發(fā)熱量的增加。一般來(lái)說(shuō)，TPWM(ON)MIN=3×1/fOSC(約為3個(gè)開(kāi)關(guān)周期)。

4. 應(yīng)最大限度地減小輸出電容器的漏電流。當(dāng)PWM引腳為低電平時(shí)，LT3478和LT3478-1將關(guān)斷所有從VOUT獲得工作電流的電路。

5. 如欲獲得更寬的調(diào)光范圍，可以組合應(yīng)用PWM調(diào)光和模擬調(diào)光功能，此時(shí)TDR=PDR·ADR，其中TDR=總調(diào)光比，PDR=PWM調(diào)光比，ADR=模擬調(diào)光比。3000:1的PDR和10:1(CTRL引腳電壓為0.1V)的ADR將產(chǎn)生30,000:1的TDR。
 

圖11：圖10電路中的LED電流與PWM調(diào)光比的關(guān)系曲線。

開(kāi)路LED保護(hù)

輸出電壓具有一個(gè)可設(shè)置的最大值，以避免LED因斷接(開(kāi)路LED)而后重接導(dǎo)致受損。在LED斷接期間，轉(zhuǎn)換器可變至開(kāi)口回路，并把輸出電壓驅(qū)動(dòng)至極高，從而致使內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)遭到損壞。大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器都具有一個(gè)用于保護(hù)開(kāi)關(guān)的固定最大輸出電壓，但對(duì)于重新連接的LED串來(lái)說(shuō)，該電壓可能過(guò)高。LT3478和LT3478-1提供了一個(gè)可編程過(guò)壓保護(hù)(OVP)電平，以根據(jù)串聯(lián)的LED的數(shù)目來(lái)限制輸出電壓。OVPSET電壓負(fù)責(zé)限制最大輸出電壓，最大輸出電壓=OVPSET電壓x41。
 

圖12：圖10電路的PWM調(diào)光波形。

OVPSET電壓利用其自身的電阻分壓器，或通過(guò)給用于確定CTRL1電壓的分壓器增添一個(gè)電阻器，從VREF獲得。OVPSET編程電平不應(yīng)超過(guò)1V，以確保開(kāi)關(guān)電壓不超過(guò)42V。

高可靠性：故障檢測(cè)和軟啟動(dòng)

為在熱插拔、啟動(dòng)或正常操作期間實(shí)現(xiàn)可靠的性能，LT3478和LT3478-1可監(jiān)視以下任何故障的系統(tǒng)參數(shù)：VIN<2.8V，SHDN<1.4V，電感器涌入電流大于6A和/或輸出電壓高于編程O(píng)VP電壓。一旦檢測(cè)到任何上述故障，LT3478和LT3478-1立即停止開(kāi)關(guān)操作，并對(duì)軟啟動(dòng)引腳進(jìn)行放電(圖13)。當(dāng)所有故障都被消除且SS電壓被放電到低于0.25V時(shí)，內(nèi)部12μA電源將以外部電容器CSS所設(shè)置的速率對(duì)SS引腳進(jìn)行充電。SS電壓的平緩上升等效于開(kāi)關(guān)電流限值的斜坡上升，直到SS電壓超過(guò)VC電壓。

高效率：獨(dú)立的電感器和IC電源，可設(shè)置fOSC，60mΩ開(kāi)關(guān)

LT3478和LT3478-1能采用獨(dú)立的IC和電感器電源，以?xún)?yōu)化效率和開(kāi)關(guān)占空比范圍。電感器涌入電流的檢測(cè)采用VS和L引腳，而與VIN電源無(wú)關(guān)(圖2)，這使得能利用系統(tǒng)的最低可用電源(至少2.8V)為VIN供電，以盡量減少電源開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器中的效率損失。這樣，電感器能通過(guò)一個(gè)更加適合LED負(fù)載的占空比和功率要求的電源(2.8V至36V)來(lái)供電?？蓪?duì)電源開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的最佳電感器尺寸和效率性能。通過(guò)盡可能地降低開(kāi)關(guān)損耗(對(duì)于高占空比操作)，60mΩ導(dǎo)通電阻進(jìn)一步地提高了效率。
 

圖13：LT3478/LT3478-1故障檢測(cè)和SS引腳電壓時(shí)序圖。

本文小結(jié)[!--empirenews.page--]

LT3478和LT3478-1非常適合于要求高LED電流和高PWM調(diào)光比的升壓、降壓或降升壓型LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。4.5A的高峰值開(kāi)關(guān)電流限值和新型的PWM調(diào)光架構(gòu)，使LT3478和LT3478-1能在高達(dá)4A的LED電流條件下提供高PWM調(diào)光比。（凌力爾特公司）

圖14：針對(duì)便攜式照相閃光燈應(yīng)用的降升壓型LED驅(qū)動(dòng)器電路。