具有溫度管理控制功能的LED驅(qū)動器LM3424及其應用

摘要：介紹了具有溫度管理控制功能的LED驅(qū)動器LM3424的引腳功能和典型應用電路，并對LED電流檢測電路和熱能回折電路的工作原理作了詳細介紹，最后以boost典型應用電路為例，介紹了L343424芯片主要外圍元件的選取方法。
關鍵詞：LM3424；熱能回折(Thermalfoldbaek)；溫度管理；LED

0 引言
    LM3424是美國國家半導體推出的具有溫度管理與控制功能的一款新品LED驅(qū)動器，該驅(qū)動器可驅(qū)動多達18顆串聯(lián)的高亮度LED，適用于多
種不同的室內(nèi)／戶外照明系統(tǒng)以及汽車照明應用。在典型的應用情況下，LM3424可輸出2 A以上的驅(qū)動電流，并可為降壓、升壓、SEPIC、反激及升／降壓拓撲等各類應用提供穩(wěn)壓電流，可適用于4．5～75 V的較寬輸入電壓范圍，而且其內(nèi)置的PWM控制器可支持高速操作。

1 引腳功能
    LM3424采用散熱能力更強的20引腳TSSOP封裝形式，其引腳排列如圖1所示。各引腳的功能說明如表1所列。

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2 工作原理
2．1 平均工作電流
    為了更好地理解LM3424的平均電流ILED，可先忽略熱能回折電路的影響，在圖2所示的LED電流檢測電路中，熱能回折電路可等效為一
個電流為零的恒流源(ITF=0A)。LM3424使用外接的電流檢測電阻(RSNS)串接在LED電路中，它可將LED電流(ILED)轉(zhuǎn)換為電壓(VSNS)。引腳HSP和HSN是檢測放大器的兩個輸入端。由運放知識可知，該電路的兩引腳的電位相等(VHSP=VHSN)，因此，檢測電阻上的電壓VSNS即為電阻RHSP上的電壓，因此，若ITF=0A，則有：
   
    而用誤差放大器可將CSH端的電壓控制在恒為1．24V，所以，該電壓VSNS的值為：
   
    式中的三個電阻RSNS，RCSH和RHSP并不是任意的，為匹配和減小噪聲，建議將電流ICSH設定為100 μA左右。由于這個電流不流經(jīng)LED，所以并不對LED截止電流和LED電流的調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響。ICSH的值可以大于或小于100μA，但這樣會對檢測放大器的補償特性產(chǎn)生一些影響。另外，為盡量減小對檢測放大器電壓偏移的影響，VSNS的極小值建議取50 mV。

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2．2 熱能回折(Thermal Foldback)電路
    熱能回折電路在許多應用中都是很必要的，由于受到實際工作環(huán)境的影響，LED的內(nèi)部溫度可能會飆升至極高的水平。而熱能回折電路可以監(jiān)控系統(tǒng)熱能，以免溫度失控。其電路的熱能回折原理特性如圖3所示，圖中，TBK為溫度閾值點，當LED溫度高于該值時，即進入非安全區(qū)，LED的壽命及照明效果便會受到影響。而這時，由于LED電流ILED也開始隨之減小，減少的電流會使LED的亮度隨之下降，但仍然保持在預設范圍內(nèi)，直至操作溫度恢復到安全的操作范圍內(nèi)。事實上，采用LM3424芯片可為照明系統(tǒng)的LED設置溫度及斜坡斷點，從而確保LED停留在安全區(qū)內(nèi)操作。

    圖2所示的熱能回折電路可通過添加到LM3424器件CSH端的電流ITF來實現(xiàn)。當ITF電流增大時，檢測放大器的輸出電流會相應減小，以使
LED的電流控制在一個較低的值。當ITF=ICSH時，其可到達溫度最高點TEND，這時，ILED=0A。

    下面分析該電路的具體控制過程。
    ITF的大小是由差分電壓VDIF決定的(VDIF=VTREF-VTSENSE)，其中VTREF可由RREF1和RREF2分壓得到(典型值為2．45 V)。VTSENSE則可由一個NTC電阻得到，由圖2可知，若VDIF<0 V，則檢測溫度小于TBK，差分檢測放大器的輸出ITF=0，即沒有反饋。而檢測溫度等于TBK時，VDIF =0 V，ITF=0。這時，溫度閾值為TBK時的NTC電阻值可由下式得到：
   
    通常可設置RREF1=RREF2，從而有RBIAS=RNTC-BK。若VDIF>0 V(溫度高于TBK)，則運算放大器的輸出電壓值與VDIF相等，所以，RGAIN上的電流(由恒流源的知識可知其與ITF相等)會隨著溫度的上升而改變，即，ITF為：
   
    熱能回折電路也可看成是一種模擬調(diào)光，只要想辦法控制引腳TREF和TSENSE之間的差分電壓，就能改變LED的電流，從而實現(xiàn)模擬調(diào)光。VDIF>0 V時的LED電流可由下式得到：
   

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3 典型工作電路及元器件選擇設計
    由于LM34242芯片可為buck、boost、SEPIC和buck-boost拓撲的各類應用提供穩(wěn)壓電流，本文僅給出boost時典型應用電路，并以它為例介紹主要元件的選取設計。圖4所示是其典型應用電路。

3．1 電感L1的選擇
    L1是開關調(diào)整的主要能量存儲器件，不同的拓撲電路中，能量從電感傳輸?shù)截撦d的方式不同。電感上的紋波電流(△iL-PP)主要由電感量、通過電感的電壓和開關頻率決定。在設計過程中，L1需要根據(jù)得到的△iL-PP來進行選擇。對于buck調(diào)節(jié)器，由于電感是直接與負載連接，而不需要接輸出電容，因此，△iL-PP基本與LED的紋波電流△iLED-PP)相等。boost和buck-boost調(diào)節(jié)器應當接有輸出電容，以用于減少△iLED-PP，因此，該電感的可允許紋波要比buck調(diào)節(jié)器大一些。通常△iLED-PP要小于ILED值的40％。由于buck調(diào)節(jié)器沒有輸出電容，所以，△iL-PP應小于ILED的40％。而對于boost和buck-boost等拓撲電路，由于有輸出電容可以補償，△iL-PP可以大一些。但是，一般建議△iL-PP要小于平均電感電路的一半，以限制電感的輸出功率。所以boost和buck-boost調(diào)節(jié)器中的電感取值為：
   
3．2 LED動態(tài)電阻
    當負載為一串LED時，其輸出負載電阻是LED串的動態(tài)電阻加上RSNS。由于LED是半導體二極管，所以，當通過的電流變化時，其阻值也會漂移。若只是通過二極管的正向電壓除以正向電流得到動態(tài)電阻，則該值是不正確的。其結(jié)果可能大于實際值的5～10倍。這一點在設計時必須要考慮。
3．3 輸出電容
    對于boost和buck-boost調(diào)節(jié)器來說，輸出電容(CO)可為負載提供能量。當續(xù)流二極管D1反向截止時，在buck中，輸出電容僅僅是減少LED紋波電流(△iLED-PP)，以使其低于電感的紋波電流(△iL-PP)。在所有電路結(jié)構中，適當?shù)腃0的大小能提供一個合適的△iLED-PP。由于△iLED-PP要小于LED平均電流(ILED-PP)的40％。所以，C0應仔細選取，因為它會影響到工作溫度和工作電壓。一般情況下，磁片電容是理想的選擇。對于boost調(diào)節(jié)器，C0的取值是：
   
    其中，rD=NrLED，N是串聯(lián)LED的數(shù)目，rLED是單個LED的動態(tài)電阻。
3．4 輸入電容
    輸入電容(CIN)可在開關狀態(tài)的間斷期間提供能量。對于buck和buck-boost，CIN在tON和tOFF時間都提供能量，而輸入電壓源則以平均電流(IIN)給輸入電容充電。大多數(shù)應用中都需要在輸入引腳VIN處放置一個0．1μF的陶瓷電容，而且它要盡可能的靠近輸入引腳。在某些情況下，大容量的輸入電容可能遠離LM3424，但應在大容量輸入電容和旁路電容之間放置一個10Ω的串聯(lián)電阻，從而構成一個150 kHz濾波器，以濾除不希望的頻率噪聲。boost調(diào)節(jié)器時，CIN的取值為：
   
3．5 主MOSFET／調(diào)光MOSFET
    LM3424需外接NFET(Q1)作為主MOSFET以構成開關調(diào)節(jié)器。Q1的額定電壓至少應高于電路最大工作電壓的15％才能保證正常工作。當PWM
調(diào)光時，LM3424還需要另一個MOSFET(Q2)，且它應串聯(lián)在LED上(在buck中是并聯(lián))。該MOSFET的額定電壓可與輸出電壓(Vo)相等，額定電流至少要高于(ILED)10％。由于續(xù)流二極管(D1)在toFF時承載著電感上的電流，因此，D1通常應選肖特基二極管。

4 結(jié)束語
    本文介紹了具有溫度管理控制功能的LED驅(qū)動器LM3424的主要功能和應用電路的設計方法。同時介紹了其具有的熱能回折功能、原理和應用。最后以boost典型應用電路為例，給出了LM3424主要外圍元件的選取方法。