基于MAX16834的buck-boost LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)

時(shí)間：2012-02-10 07:15:23

關(guān)鍵字： LED驅(qū)動器 BUCK-BOOST MICRO 轉(zhuǎn)換器

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[導(dǎo)讀]本參考設(shè)計(jì)用于buck-boost LED驅(qū)動器。設(shè)計(jì)采用電流模式高亮度LED驅(qū)動器MAX16834，利用MAX16834評估(EV)板實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)方案。本應(yīng)用筆記提供設(shè)計(jì)說明、原理圖、材料清單(BOM)以及性能數(shù)據(jù)。該參考設(shè)計(jì)中，buck-boost轉(zhuǎn)

本參考設(shè)計(jì)用于buck-boost LED驅(qū)動器。設(shè)計(jì)采用電流模式高亮度LED驅(qū)動器MAX16834，利用MAX16834評估(EV)板實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)方案。本應(yīng)用筆記提供設(shè)計(jì)說明、原理圖、材料清單(BOM)以及性能數(shù)據(jù)。該參考設(shè)計(jì)中，buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)從7V至18V直流電源產(chǎn)生驅(qū)動4個(gè)白光LED (WLED)的350mA電流，設(shè)計(jì)采用MAX16834電流模式高亮度(HB) LED驅(qū)動器。

MAX16834 pdf datasheet:http://www.elecfans.com/soft/39/2008/200808187352.html

LED驅(qū)動器規(guī)范

輸入電壓：7V至18V
輸入電壓紋波：100mV_P-P
LED電流：350mA
LED電流紋波：5% (最大值)
LED正向電壓：3.5V (350mA時(shí))
LED數(shù)量：4只(最大值)
輸出過壓保護(hù)：17.2V

輸入端

V_IN、PGND：電源輸入
PWMDIM、SGND：PWM調(diào)光輸入

輸出端

LED+：連接LED陽極至LED+
LED-：連接LED陰極至LED-

詳細(xì)電路(PDF, 60.64kB)
圖1. MAX16834EVKIT用于實(shí)現(xiàn)參考設(shè)計(jì)的功能

圖2. LED驅(qū)動器原理圖

元件列表* (材料清單BOM)

Designator	Quantity	Description
C1, C7, C8	3	2.2µF, 25V X7R, ceramic capacitor (0805)
C2	1	2.2µF, 25V X7R, ceramic capacitor (0805)
C11	1	10µF, 16V X7R, ceramic capacitor (1206)
C3, C12, C14, C15	4	0.1µF, 16V X7R, ceramic capacitor (0603)
C13	1	1.5nF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
C16, C18	2	1nF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
Cx	1	100pF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
D1	1	MAZS0680ML, 6.8V Zener diode, SSMINI
D2	1	B160B, 1A, 60V Schottky diode
L1	1	MMS1038-223ML, 22µH, 2.34A inductor
N1, N2	2	SI2318DS, 40V, 3A, n-channel MOSFET (SOT23)
R1	1	34kΩ ±1% resistor (0402)
R2	1	9.53kΩ ±1% resistor (0402)
R7	1	2.2kΩ ±1% resistor (0805)
R5	1	0.56kΩ ±1% resistor (0803)
R9	1	0.15Ω ±1% resistor (0603)
R10	1	310Ω ±1% resistor (0402)
R11	1	243kΩ ±1% resistor (0402)
R12	1	22.1kΩ ±1% resistor (0402)
R13	1	13.1kΩ ±1% resistor (0402)
R14	1	10kΩ ±% resistor (0402)
R15	1	11kΩ ±1% resistor (0402)
R16	1	23.2kΩ ±1% resistor (0402)
R17	1	26.7kΩ ±1% resistor (0402)
U1	1	MAX16834ATP+ 20-pin, 4mm x 4mm TQFN-EP

*元件標(biāo)識與MAX16834評估板一致。

詳細(xì)說明

將boost轉(zhuǎn)換器輸出負(fù)端連接到輸入電源正端，構(gòu)成buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)。

在此設(shè)計(jì)一款buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)，從7V至18V直流電源產(chǎn)生350mA電流，驅(qū)動4個(gè)白光LED (WLED) (每個(gè)WLED在350mA時(shí)的正向壓降為3.5V)。MAX16834 HB LED驅(qū)動器集成了峰值電流模式控制器，工作于CCM (連續(xù)導(dǎo)通模式)，開關(guān)頻率為495kHz。開關(guān)頻率通過R15電阻(11kΩ)設(shè)置。

輸入、輸出電壓變化時(shí)，MAX16834控制電感的峰值電流，保證LED的電流為350mA。檢測LED回路的電流檢測電阻兩端的電壓，然后將其在內(nèi)部放大9.9倍，這樣可以減小檢測電阻的阻值，從而提高效率。經(jīng)過放大的電壓與R16和R17設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，其差值由一個(gè)GM = 500µS的跨導(dǎo)放大器進(jìn)行放大，輸出信號在COMP引腳產(chǎn)生控制電壓，此電壓設(shè)置電流環(huán)路的基準(zhǔn)，這樣，電感電流檢測電阻R9兩端的電壓峰值最終成為此控制電壓。

轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

輸入電壓范圍：7V至18V
輸入電壓紋波：100mV_P-P
LED正向最大電壓：14V (即4 x 3.5V)
LED電流：350mA
LED電流紋波：5% (最大值)
開關(guān)頻率：455kHz

按照式1計(jì)算N2的最大占空比：

其中，V_LEDMAX是LED最大電壓，V_INMIN是最低輸入電壓，V_D是二極管壓降，V_DS是FET開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的平均壓降。

本應(yīng)用中，D_MAX為0.69。

電感(L1)選擇

選擇電感，需要知道其電感量和峰值電流。峰值電感電流可用式2計(jì)算：

其中，I_LAVG為平均電感電流，ΔI_L為電感電流紋波，表示為平均電感電流的百分比：

允許電流紋波ΔI_L為30%，代入已知參數(shù)，可以得到：

最小電感量可由式5計(jì)算：

其中，f_SW為開關(guān)頻率?？紤]到20%的容差，可得L_MIN = 17µH，此處選擇22µH電感。

開關(guān)檢流電阻(R9)

正常工作時(shí)，開關(guān)檢流電阻兩端的電壓最大值不應(yīng)高于250mV，如果檢流電阻的電壓達(dá)到300mV (典型值)，轉(zhuǎn)換器將關(guān)斷。R9上的電壓決定了開關(guān)周期中導(dǎo)通脈沖的寬度，芯片內(nèi)部提供了前沿屏蔽電路，可防止開關(guān)MOSFET提前關(guān)斷。R9的計(jì)算如式6所示：

計(jì)算得到：R9 = 0.133Ω，這里R9選擇0.15Ω。

斜率補(bǔ)償電容(C13)

眾所周知，在峰值電流模式控制中，CCM boost轉(zhuǎn)換器的占空比超過50%時(shí)環(huán)路將出現(xiàn)不穩(wěn)定，需要引入適當(dāng)?shù)男甭恃a(bǔ)償，以消除由諧波分量引起的不穩(wěn)定性。MAX16834具有內(nèi)部斜坡發(fā)生器，用于斜率補(bǔ)償。在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，斜坡電壓復(fù)位，然后按外部電容C13設(shè)定的速率上升，C13由內(nèi)部的100µA電流源進(jìn)行充電，斜坡電壓與R9兩端的電壓內(nèi)部疊加。C13的計(jì)算如式7所示：

其中，V_SLOPE為：

從式7和式8可以得到：C13 = 1.57nF，實(shí)際選取1.5nF電容。

LED檢流電阻(R5)

利用式9計(jì)算R5：

在此應(yīng)用中，取V_REFI = 1.94V，得到：R5 = 0.56Ω。

濾波電容

輸出電容C_OUT (C7與C8的并聯(lián)電容)按式10計(jì)算：

其中，ΔV_LED為輸出電壓紋波的最大峰峰值，它取決于最大電流紋波和此電流下LED的動態(tài)阻抗。為延長LED使用壽命并保證其色度，LED上的紋波電流應(yīng)小于其平均電流的5%。本應(yīng)用中，計(jì)算得到C_OUT為3µF，故電容C7、C8均選用2.2µF/50V。

由式11計(jì)算輸入電容(C1、C2的并聯(lián)電容)：

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其中，ΔV_IN為輸入電壓紋波的峰峰值。

對于100mV的ΔV_IN，C_IN為1.9µF，所以選擇C1為2.2µF/25V，C2為1.1µF/25V。

反饋補(bǔ)償

Buck-boost轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)在右半平面存在一個(gè)零點(diǎn)，可用式12計(jì)算：

本應(yīng)用中，f_RHPZ在37.8kHz處，為了提供充分的相位裕量，保持環(huán)路穩(wěn)定，在-20dB/十倍頻程時(shí)，整個(gè)環(huán)路增益應(yīng)在RHP零點(diǎn)頻率的1/5之前達(dá)到0dB，由此可得截止頻率f_C為7.56kHz。輸出電容和負(fù)載等效輸出阻抗會產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)：

其中，R_O為負(fù)載等效阻抗，由下式確定：

從式14可得f_P1 = 4.7kHz。

接下來選擇補(bǔ)償元件R10和C12，它們需要在極點(diǎn)頻率f_P1處產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，并調(diào)整f_P1處的環(huán)路增益，使之在f_C達(dá)到0dB。

利用式15計(jì)算R10：

從式15可得R10 = 341Ω，此處R10選擇301Ω電阻；GM是內(nèi)部跨導(dǎo)放大器的增益。

相應(yīng)地，C12可以計(jì)算如下：

從式16可得C12 = 0.11µF，此處選用0.1µF電容。

數(shù)字PWM調(diào)光

MAX16834內(nèi)部有一個(gè)用于PWM調(diào)光的MOSFET驅(qū)動器，它可以接受1.5V至5V的邏輯高電平PWM信號，信號頻率從直流到20kHz，通過改變PWM信號的占空比調(diào)節(jié)LED亮度。

NDRV驅(qū)動器和跨導(dǎo)放大器輸出由PWM信號控制，PWM信號為高時(shí)，NDRV使能，跨導(dǎo)放大器的輸出端連接到COMP引腳；信號為低時(shí)，NDRV被禁止，跨導(dǎo)放大器的輸出端斷開，COMP端連接到PWM比較器反相輸入端，該端為CMOS輸入，可忽略其從補(bǔ)償電容C12吸收的漏電流，故C12上電荷將保持，直到PWM變高。一旦信號變?yōu)楦唠娖剑琋DRV將使能，放大器輸出又連接到COMP端，從而快速建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

LED開路保護(hù)

如果空載或發(fā)生LED開路故障，boost轉(zhuǎn)換器將會產(chǎn)生很高的輸出電壓，該轉(zhuǎn)換器可在發(fā)生這種高電壓時(shí)關(guān)閉，電壓門限通過R11和R12設(shè)定。R11和R12的分壓點(diǎn)接到IC的OVP引腳，當(dāng)該引腳電壓達(dá)到1.435V (典型值)時(shí)，轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉。本設(shè)計(jì)中，R11和R12設(shè)定的LED開路保護(hù)點(diǎn)為輸出電壓達(dá)到17.2V。

用MAX16834評估板實(shí)現(xiàn)buck-boost轉(zhuǎn)換器

MAX16834評估板上裝配了boost轉(zhuǎn)換器，可以通過增減下列元件，將其配置為buck-boost轉(zhuǎn)換器：

移除電阻R4、R8。
把電阻R3換成0Ω。
按照BOM說明安裝元件。

電路波形和性能數(shù)據(jù)

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圖3. N2柵極驅(qū)動電壓

圖4. N2漏極電壓

圖5. N2開關(guān)電流波形

圖6. LED電壓

圖7. PWM調(diào)光占空比為50%時(shí)的LED電流波形

圖8. PWM調(diào)光占空比為90%時(shí)的LED電流波形

圖9. PWM調(diào)光占空比為10%時(shí)的LED電流波形