基于LT3598多通道LED集成驅(qū)動(dòng)應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)

     LED 以其工作電壓低、耗電量小、發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),成為目前節(jié)能環(huán)保燈光照明系統(tǒng)的主流應(yīng)用方案。我們基于LT3598 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了其外圍電路,就LT3598 多通道LED 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求,合理選取關(guān)鍵元器件,如電感、電容、二極管等,優(yōu)化設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率,并進(jìn)行了過(guò)壓、過(guò)流、熱保護(hù)的設(shè)計(jì)。最后,通過(guò)具體電路實(shí)驗(yàn),證實(shí)了此電路的穩(wěn)定性和可靠性,并進(jìn)行了模擬調(diào)光和PWM調(diào)光實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比,說(shuō)明了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　前言

　　LED 是light emitting diode (發(fā)光二極管) 的英文縮寫(xiě)。作為第4 代半導(dǎo)體照明光源,LED 具有工作電壓低、耗電量小、發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比,LED 燈可節(jié)電達(dá)到90 %以上,它不僅效率高于鎢絲燈泡,而且也不像冷陰極熒光管(CCFL) 含有有害化學(xué)物質(zhì),因此漸漸大受歡迎,成為有助于保護(hù)環(huán)境的燈光系統(tǒng)解決方案。

　　1 　LT3598 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　LT3598 內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示,它采用固定頻率、峰值電流模式控制方案,有出色的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)能力。其內(nèi)部6 個(gè)電流源提供6 個(gè)通道,可驅(qū)動(dòng)6 串LED ,每串多達(dá)10 個(gè)白光LED ,每串驅(qū)動(dòng)電流可高達(dá)30mA ,效率可達(dá)90 % ,并且可以保證每串間電流精度在115 %以?xún)?nèi),以確保每串LED 亮度一致。內(nèi)置升壓型轉(zhuǎn)換器使用一個(gè)自適應(yīng)反饋環(huán)路來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓至稍微高于所需的LED 電壓,以確保最高效率。任一LED 串出現(xiàn)了開(kāi)路,并不影響其正常工作,LT3589 可繼續(xù)調(diào)節(jié)現(xiàn)存LED 串并向OPENLED 引腳發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖1 　LT3598 內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方框圖

　　2 　選擇電感

　　為了保證供電電源的穩(wěn)定,選擇電感有幾個(gè)問(wèn)題需要解決:第一,電感量必須足夠大,這樣才能保證開(kāi)關(guān)管Q1 截止期間,能向負(fù)載供應(yīng)足夠的能量。第二,電感必須能承受一定的峰值電流而不至于飽和,甚至損壞;第三,電感的直流電阻值應(yīng)盡量小,以便電感本身的功率損耗( I2 R) 最小化。此處就LT3598 集成電路來(lái)說(shuō),用鐵氧體磁芯電感就可以獲得最佳的效率,其電感值在417～22μH 就可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要。[!--empirenews.page--]

　　3 　輸出電容的選擇

　　在輸出端應(yīng)用低等效串聯(lián)電阻( ESR) 值的陶瓷電容,以盡量減少輸出紋波電壓。就LT3598 應(yīng)用電路來(lái)說(shuō),一個(gè)417～10μF 的輸出電容就可以滿足大多數(shù)高輸出電流的設(shè)計(jì)要求。

　　4 　整流二極管的選擇

　　選擇高頻整流二極管,需要從以下幾個(gè)方面加以考慮。第一,正向壓降要低;第二,開(kāi)關(guān)速度要快,因此肖特基二極管是最好的選擇;第三,整流二極管的平均額定電流必須大于應(yīng)用場(chǎng)合的總的平均輸出電流;第四,整流二極管的反向擊穿電壓必須高于最大輸出電壓。

　　5 　優(yōu)化開(kāi)關(guān)頻率

　　選擇最佳的開(kāi)關(guān)頻率取決于幾個(gè)因素:第一,雖然減小高頻電感,可以得到更高的開(kāi)關(guān)頻率,但開(kāi)關(guān)損耗也隨之增大,因而效率略有降低;第二,有些應(yīng)用場(chǎng)合,如果電力供應(yīng)不足,要帶動(dòng)大量的LED ,就需要很高的占空比,必要時(shí)還得降低開(kāi)關(guān)頻率,因?yàn)榈偷拈_(kāi)關(guān)頻率,不僅可以獲得更高的占空比,而且可以讓高占空比維持更長(zhǎng)的時(shí)間, 這樣才能驅(qū)動(dòng)更多的LED。

　　LT3598 本身就具有升壓型DC2DC 轉(zhuǎn)換器的功能,其正常工作高頻開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置在200kHz ～215MHz 之間,就可以很好地工作。用其RT 引腳外接到地電阻的阻值來(lái)調(diào)控頻高頻開(kāi)關(guān)頻率的大小。本實(shí)例中RT 外接電阻R9 阻值為5111kΩ ,DC2DC 轉(zhuǎn)換器工作的開(kāi)關(guān)頻率為1MHz。RT 引腳不能懸空。圖2給出了開(kāi)關(guān)頻率與RT 外接電阻的關(guān)系曲線。

圖2 　開(kāi)關(guān)頻率和RT外接電阻關(guān)系圖

　　LT3598 亦可采用外同步的方式工作,若SYNC 引腳外接同步信號(hào),此信號(hào)頻率必須略高于DC2DC 轉(zhuǎn)換器工作的開(kāi)關(guān)頻率,一般在240kHz～3MHz 之間,占空比在20 %～80 %之間,幅度在014～115V 之間為宜。此時(shí), RT 外接電阻控制開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)低于外接SYNC 同步脈沖頻率20 %。該SYNC 引腳不能空置,不用時(shí)必須接地。

　　6 　過(guò)壓保護(hù)

　　LT3598 應(yīng)用電路的最大輸出電壓,可用如下公式求得:

　　通過(guò)設(shè)置外接電阻R1 的R2 的阻值大小就可以確定最大輸出電壓,要求輸出電壓應(yīng)略高于LED 串正常工作電壓。當(dāng)LED 工作電壓超過(guò)設(shè)定的Vout (max)時(shí),過(guò)壓保護(hù)電路就啟動(dòng),以便DC2DC 轉(zhuǎn)換器降低輸出電壓。

　　7 　設(shè)置最大LED 電流

　　根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要,通過(guò)設(shè)置Iset 引腳外接電阻R4 的阻值大小(選取阻值范圍為10～100kΩ 可滿足此驅(qū)動(dòng)電路正常工作) ,就可以設(shè)定流過(guò)LED 串的電流大小,實(shí)驗(yàn)測(cè)得流過(guò)LED 串電流大小估算公式為:

　　,其中ILED表示流過(guò)LED 串電流大小,本實(shí)例中R4 為1417kΩ ,故最大電流為20mA。

　　設(shè)定ILED 越大,則LT3598 本身功耗就越高,若ILED = 30mA ,PWM 調(diào)光占空比為100 % ,此時(shí)LT3598內(nèi)部功耗至少在144mW以上。

　　8 　熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　對(duì)于一個(gè)有6 個(gè)線性電流源的單一升壓轉(zhuǎn)換器,對(duì)6 串LED 供電,任何LED 串的電壓不匹配都將造成功率的額外耗散,引起驅(qū)動(dòng)電路過(guò)度發(fā)熱。并且,環(huán)境溫度升高,也會(huì)導(dǎo)致IC 溫度升高。因此,電路設(shè)計(jì)需要考慮發(fā)熱因素的影響。

　　熱回路的運(yùn)行過(guò)程很簡(jiǎn)單,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),驅(qū)動(dòng)IC 內(nèi)部結(jié)溫也隨著升高。一旦溫升達(dá)到了設(shè)定的最大結(jié)溫,LT3598 開(kāi)始線性地降低LED 電流,并根據(jù)需要,盡量保持在這個(gè)溫度水平。如果環(huán)境溫度越過(guò)設(shè)定的最大結(jié)溫后繼續(xù)升高,LED 電流將減小到大約全部LED 電流的5 %。因此,電路設(shè)計(jì)要考慮到具體使用環(huán)境,避免環(huán)境溫升過(guò)高而影響電路正常工作。如圖1 所示,在IC 的Tset 引腳接一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R8 和R5 ,適當(dāng)選擇R8 和R5 的比值,就可確定需要設(shè)定的最大結(jié)溫值。在實(shí)踐應(yīng)用中,根據(jù)R8 和R5 的比值與實(shí)測(cè)溫度,得出了幾組常用的數(shù)據(jù),如表1 所示。

表1 　Tset 結(jié)溫和外接電阻分壓網(wǎng)絡(luò)阻值關(guān)系表

　　更為直觀的方法是,通過(guò)改變Tset 引腳外接電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的比值大小,從而設(shè)定該引腳電壓值,也就決定了需要設(shè)定的最大結(jié)溫值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到結(jié)溫和Tset 引腳電壓值的關(guān)系如圖3 所示,由圖3 可以得出結(jié)論,隨著該引腳電壓VTset 的升高, IC 能忍受的正常工作的最大結(jié)溫也跟著線性地升高。

圖3 　結(jié)溫和Tset 引腳電壓值的關(guān)系圖

　　9 　實(shí)際應(yīng)用電路

　　典型的實(shí)際應(yīng)用電路如圖4 所示,總共6 串,每串10 個(gè)LED ,設(shè)計(jì)每串最大正常工作電流為20mA ,電源采用IC 自帶的升壓型DC2DC 轉(zhuǎn)換電路,升壓電感L1 ,內(nèi)置功率開(kāi)關(guān)管,肖特基整流二極管D7 ,設(shè)計(jì)高頻開(kāi)關(guān)頻率為1MHz。設(shè)計(jì)LED 串最大供電電壓為41V ,在此范圍內(nèi)的電壓,都可讓電路正常工作,否則,過(guò)壓保護(hù)電路啟動(dòng),以便讓LED 供電電壓恢復(fù)正常。用幅值為313V、上升沿和下降沿均為10ns、頻率為1kHz 的PWM調(diào)光脈沖,可實(shí)現(xiàn)3 000∶1的PWM 真彩調(diào)光范圍,并且在調(diào)光過(guò)程中,LED 串的最大電流一直穩(wěn)定在20mA ,改變的只是PWM調(diào)光脈沖的占空比,亦即意味著改變了LED 串的平均電流,從而達(dá)到LED 調(diào)光的目的。任何不用的LED 串不能空著,應(yīng)接入Vout ,內(nèi)部故障檢測(cè)環(huán)路忽略該串,也不會(huì)影響其他串的開(kāi)路LED 檢測(cè)。

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圖4 　實(shí)際應(yīng)用電路圖

　　10 　LED 電流調(diào)光控制

　　應(yīng)用LT3598 可用兩種不同類(lèi)型的調(diào)光模式進(jìn)行調(diào)光,有些場(chǎng)合,首選方案是用可變的直流電壓來(lái)調(diào)整LED 電流,進(jìn)而進(jìn)行亮度控制。LT3598 的CTRL 引腳電壓就可用來(lái)調(diào)整LED 串電流而實(shí)現(xiàn)調(diào)光,當(dāng)該引腳電壓從0V 變化到1V 時(shí),LED 串電流就會(huì)從0 上升到設(shè)定的最大電流(本實(shí)例設(shè)定為20mA) ,當(dāng)CTRL引腳電壓超過(guò)1V 時(shí),對(duì)LED 串的電流就沒(méi)有影響了。我們稱(chēng)這種調(diào)光技術(shù)為模擬調(diào)光,其最大優(yōu)勢(shì)避免了由于PWM調(diào)光脈沖所產(chǎn)生的人耳可聞的噪聲;其缺點(diǎn)有二,一是增大了整個(gè)系統(tǒng)能耗,系統(tǒng)效率低下,因?yàn)榇藭r(shí)LED 驅(qū)動(dòng)電路始終處于工作模式,電能轉(zhuǎn)換效率隨著輸出電流減小而急劇下降; 二是LED發(fā)光質(zhì)量不高,因?yàn)長(zhǎng)ED 發(fā)光顏色隨著正向電流的變化而變化,而它直接改變了白光LED 串的電流。

　　對(duì)真彩調(diào)光,常用PWM 調(diào)光技術(shù),應(yīng)用占空比不同的數(shù)字脈沖,驅(qū)動(dòng)一個(gè)PMOS 場(chǎng)效應(yīng)管(如圖1所示) ,以實(shí)現(xiàn)改變輸出電流,從而調(diào)節(jié)白光LED 的亮度。這種調(diào)光技術(shù)比模擬調(diào)光技術(shù)有更高的效率,并能得到更高質(zhì)量的白光。

　　比較高的開(kāi)關(guān)頻率和比較低些的PWM 頻率,可以得到更寬的PWM 調(diào)光范圍。但是當(dāng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行PWM調(diào)光的時(shí)候,如果PWM 信號(hào)的頻率正好落在20Hz～20kHz 之間,白光LED 驅(qū)動(dòng)器周?chē)碾姼小⒓纳姼泻洼敵鲭娙菥蜁?huì)產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲。所以設(shè)計(jì)時(shí)為了避免產(chǎn)生噪聲,PWM 信號(hào)頻率不要低于20kHz。

　　對(duì)真彩調(diào)光應(yīng)用來(lái)說(shuō),驅(qū)動(dòng)LED 的電流必須保持恒定,LED 的優(yōu)點(diǎn)才可充分發(fā)揮出來(lái),因?yàn)轵?qū)動(dòng)LED 的電流只要有輕微的波動(dòng),就會(huì)導(dǎo)致LED 的燈光顏色不穩(wěn)定。只通過(guò)改變PWM 引腳上PWM 脈沖占空比,而不直接改變LED 驅(qū)動(dòng)電流,LT3598 可以實(shí)現(xiàn)3 000∶1 的PWM 調(diào)光范圍, PWM 脈沖占空比從100 %～011 %變化時(shí),LED 都可以保持恒定的顏色。

　　圖5 所示為用1kHz 的PWM調(diào)光脈沖進(jìn)行調(diào)光、脈沖周期為1ms (橫坐標(biāo)表示) 、占空比為90 %時(shí),各點(diǎn)的波形圖。

圖5 　PWM占空比為90 %趨穩(wěn)后各點(diǎn)波形圖( 1msPDIV)

　　11 　小結(jié)

　　可通過(guò)通道并聯(lián)來(lái)為每個(gè)LED 串提供更高的電流。例如,若有2 個(gè)LED 串,每串需90mA 的電流,則可每3 個(gè)通道并聯(lián)形成兩路通道,即可分別為2 串LED 各提供最高90mA 的電流。

　　若每串LED 的正向壓降差異很大,則會(huì)產(chǎn)生巨大的功耗,降低電源效率。為了得到高效率,在選擇LED 時(shí),首先要求每串LED 數(shù)量相同,其次要求通過(guò)每串LED 的壓降也盡量一致。

　　LT3598 的輸入電壓范圍從312～30V ,多通道能力使其在筆記本電腦顯示屏、中等尺寸顯示屏和汽車(chē)LCD 顯示屏等應(yīng)用領(lǐng)域,都是比較理想的選擇。