具有精確±3%滿(mǎn)量程電流檢測的20A LED驅動(dòng)器適用于多種應用

作者：Joshua Caldwell and Hua (Walker) Bai

快速發(fā)展的 LED 照明應用正在取代近 所有傳統的照明形式。隨著(zhù)這種轉變 加速，LED驅動(dòng)器的功率要求增加， 更高的電流使其維護更具挑戰性 在不犧牲效率的情況下實(shí)現電流檢測精度。發(fā)光二極管 驅動(dòng)程序在管理當前交付時(shí)必須執行此操作 高速下多個(gè)獨立的LED負載，并且能夠 連接具有精確均流功能的并聯(lián)驅動(dòng)器。

一些高功率LED具有獨特的機械和電氣考慮因素，其中陽(yáng)極與導熱后蓋板電連接。在采用降壓穩壓器配置的傳統LED驅動(dòng)器中，通過(guò)冷卻機箱來(lái)實(shí)現熱管理，陽(yáng)極與后蓋的連接帶來(lái)了機械電氣設計挑戰。后蓋板必須對散熱器具有良好的導熱性，但如果后蓋板處的電壓與機箱不同，則后蓋板也必須與其電氣隔離。由于LED制造商很難改變工藝或封裝，LED驅動(dòng)器本身必須滿(mǎn)足這一設計挑戰。

一種選擇是使用 4 開(kāi)關(guān)正降壓-升壓 LED 驅動(dòng)器，但額外的開(kāi)關(guān)MOSFET增加了系統 復雜性和成本。一種反相降壓-升壓拓撲 僅使用一組開(kāi)關(guān)功率MOSFET，并允許 陽(yáng)極散熱器以電氣和機械方式直接連接到機箱接地， 無(wú)需電氣隔離器 在散熱器上，并簡(jiǎn)化 系統的機械設計。

為滿(mǎn)足高性能要求，LT3744 可配置為同步 降壓或反相降壓-升壓 控制器可連續驅動(dòng) LED 負載 電流超過(guò)20A。供應 LT3744 的輸入專(zhuān)為處理 3.3V至36V。作為降壓轉換器， 它可以調節 0V 以上的 LED 電流 到電源電壓。作為反轉 降壓-升壓型轉換器 （LT3744） 能夠 精確調節 LED 電流 輸出電壓范圍為0V至?20V。

全范圍模擬電流調節 準確度為 3%，即使在 1/20 刻度下， 它比±30%好。LT3744 具有 三個(gè)獨立的模擬和數字 帶三個(gè)補償的控制輸入 和柵極驅動(dòng)輸出，范圍廣 的指示燈配置。通過(guò)分離 來(lái)自 LED 的電感電流檢測 電流檢測，可配置 LT3744 作為降壓或反相降壓-升壓。 為了便于系統設計，所有輸入 信號以電路板接地為參考 （SGND，信號接地），消除了 需要復雜的離散電平轉換器。

在反相降壓-升壓配置中， 總 LED 正向電壓 可高于輸入電源 電壓，允許高壓 LED 由低壓驅動(dòng)的串 用品。當 PCB 功率密度調用時(shí) 用于傳播組件功率 耗散時(shí)，LT3744 可輕松 與其他 LT3744 并聯(lián)以驅動(dòng) LED 負載中的高脈沖或直流電流。

高精度電流檢測

LT3744 具有高準確度 電流調節誤差放大器，其中 實(shí)現精確的模擬調光 至總電流控制的 1/20 范圍。這在應用中至關(guān)重要 其中總數字PWM調光 范圍有限，或者在以下應用中 需要非常高的調光范圍。 例如，使用 100Hz PWM 調光頻率和 1MHz 開(kāi)關(guān) 頻率，LT3744 能夠 1250：1 PWM 調光，可以是 結合 20：1 模擬調光 將總調光范圍擴展到 25，000：1。

圖 1 顯示了生產(chǎn)一致性 LT3744 相對于失調電壓 在整個(gè)溫度范圍內，在本例中為 380 典型值 當模擬控制輸入為 在 0V 時(shí)。誤差偏移量低 放大器，控制回路能夠 1/20 時(shí)的典型精度為 ±10% 刻度模擬調光。分布情況 LED 兩端的調節電壓 帶控制器的電流檢測引腳 輸入等于1.5V如圖2所示。 全范圍的精度優(yōu)于 ±3%，相當于 ±1.8mV 60mV滿(mǎn)量程調節電壓。

圖1.LT3744 中的 LED 電流調節放大器具有一個(gè) ±300μV 的典型失調（采用 V按= 0V。

圖2.在全電流下，LED電流調節環(huán)路的典型精度為±1.7%，V按= 1.5V。

無(wú)閃爍性能

LED 中最重要的指標之一 驅動(dòng)程序性能正在恢復 PWM 調光期間的 LED 電流。 最終產(chǎn)品的質(zhì)量很高 取決于驅動(dòng)程序的行為 在 PWM 導通信號的上升沿。 LT3744 采用專(zhuān)有的 PWM、 補償和時(shí)鐘同步 提供無(wú)閃爍性能的技術(shù) — 甚至 將 LED 驅動(dòng)至 20A 時(shí)。

圖 3 顯示了 5 分鐘捕獲的 采用 12V 電源的 LED 電流恢復 為紅色 LED 提供 20A 電流。切換 頻率為550kHz，電感 為1μH，PWM調光頻率 為 100Hz，導通時(shí)間為 10μsec （1000：1 PWM 調光）。約30，000 顯示調光周期，沒(méi)有 開(kāi)關(guān)波形抖動(dòng) — 每 恢復切換周期相同。

圖3.LT3744 具有無(wú)閃爍 LED 調光功能。

三種不同調節電流之間的高速調光

在投影系統中，減少 光源的開(kāi)啟時(shí)間縮短 時(shí)序約束。隨著(zhù)減少 時(shí)序約束，圖像刷新率 可以增加，允許更高的分辨率 圖像和彩虹的減少 來(lái)自快速移動(dòng)的白色物體的效果。 LT3744 能夠轉換 不同輸出電流之間 狀態(tài)小于三個(gè)開(kāi)關(guān)周期。

LT3744 具有三個(gè)穩壓功能 當前狀態(tài)，允許顏色混合 系統設計師雕刻顏色 每個(gè)指示燈的溫度?；焐?提供高色彩準確性，校正 不準確的 LED 顏色，并消除 生產(chǎn)系統的變化。而 LT3743 具有低電流和高電流狀態(tài)， LT3744 具有三種電流狀態(tài)，因此 所有三種 RGB LED 顏色都可以混合使用 彼此在自己的光輸出下 獨立校正其他顏色。

圖4顯示了一個(gè)24V輸入/20A輸出， 具有三種不同穩壓的單個(gè) LED 驅動(dòng)器 電流—由模擬值確定 CTRL 和數字上的電壓 PWM 引腳的狀態(tài)。請注意，由于 RS僅用于峰值電感電流 和絕對過(guò)流保護，它不需要高精度 電阻器—可降低系統成本。

圖4.LT3744 能夠驅動(dòng)具有三種不同電流水平的單個(gè) LED。

三種不同之間的PWM調光 當前狀態(tài)如圖所示 5和6。在圖5中，PWM信號 按順序打開(kāi)和關(guān)閉。 PWM3 具有最高優(yōu)先級和 PWM1 最低。這允許 快速、單輸入信號轉換至 改變輸出電流。如圖所示 在圖 6 中，可以有任何任意 PWM 輸入信號之間的間隔。

圖5.LT3744 可在不到三個(gè)開(kāi)關(guān)周期內在三種穩壓電流狀態(tài)中的任何一種之間轉換和關(guān)斷。

圖6.可以隨時(shí)打開(kāi)不同的當前狀態(tài) - 每個(gè)狀態(tài)之間有或沒(méi)有時(shí)間。

適用于袖珍或智能手機投影儀的完整 RGB LED 解決方案

在微型“口袋”或智能手機內 投影系統，整體解決方案空間 成本是最重要的。在這些應用中， 印刷電路板空間極其有限， 驅動(dòng)程序解決方案的總卷 （包括組件高度）必須 最小 化。僅使用一個(gè) LED 驅動(dòng)器 對于所有三個(gè) LED，大幅減少 空間 - 允許使用更大的電池 或更高功率的 LED，以改善 電池壽命和預計流明。

LT3744 結合了開(kāi)關(guān)輸出 帶浮柵的電容器技術(shù) 用于創(chuàng )建完整 RGB 解決方案的驅動(dòng)程序 來(lái)自單個(gè) LED 驅動(dòng)器。The LT3744 為PWM使用獨特的柵極驅動(dòng)器 輸出引腳。驅動(dòng)器的負電源軌 漂浮在 V 上FNEG引腳，允許它 下拉所有開(kāi)關(guān)的閘門(mén) 關(guān)閉到負電壓。這 確保開(kāi)關(guān)與 輸出電容在任何情況下均不導通 條件。該驅動(dòng)器允許高達 15V 任何 LED 串之間的區別。

每個(gè) LED 可以依次亮起， 兩者之間有時(shí)間延遲，或者PWM數字輸入的任何模式輸入。 此外，與三個(gè)獨立 模擬控制輸入，每個(gè)LED可以 在不同的調節電流下工作。 當 LT3744 配置為 反相降壓-升壓，單個(gè)鋰離子 電池僅使用一個(gè)控制器即可驅動(dòng)三個(gè)獨立的 LED 串。 圖7所示為3.3V/5A反相 三色降壓-升壓 LED 驅動(dòng)器設計 專(zhuān)門(mén)用于RGB袖珍投影儀。

圖7.LT3744 能夠利用單節鋰離子電池驅動(dòng)袖珍或智能手機投影儀中的所有三種顏色分量 （R、G 和 B）。

采用兩個(gè)并聯(lián) LT3744 LED 驅動(dòng)器的 324W 2 LED 驅動(dòng)器

任何高位的重要限制因素 電源/大電流控制器設計為 PCB 中的功率密度。印刷電路板功率 密度限制在大約 50W?cm2防止溫升過(guò)大 在電源路徑組件中。 在極端情況下，當 LED 負載 需要比單個(gè)驅動(dòng)器更大的功率 可以支持（同時(shí)保持 功率密度限制），多個(gè)轉換器 可以并聯(lián)以分散負載。

高效的大電流LED驅動(dòng)控制器， 使用現代功率MOSFET， 可以提供大約 200W（在解決方案 尺寸約4厘米2） 并限制所有 電源路徑組件溫度為 在80oC以下。對于高于 200W，LT3744 可與 其他 LT3744 用于限制任何特定組件中的溫升。所有補償 輸出應并聯(lián)，允許 每個(gè)穩壓器之間的均流。

圖8所示為一個(gè)324W轉換器，使用 兩個(gè)線(xiàn)性 DC2339A 演示板 并聯(lián)連接。每個(gè)并行 此設計中的控制器可產(chǎn)生 27A— 在 6V 時(shí)總共 54A。通過(guò)捆綁 相應的補償輸出 兩個(gè)控制器一起在 齊心協(xié)力提供平穩、行為良好的 啟動(dòng)和精確的直流調節。

圖8.一個(gè) 57A/324W 2 LED 驅動(dòng)器。

圖 9 顯示了 LED 電流啟動(dòng) 每個(gè)板的行為。請注意， 每個(gè)板提供的調節電流 在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中是相同的 序列。在直流穩壓中，沒(méi)有 PWM調光，圖10顯示出色 兩者之間的電流共享 應用板（波形為 直接在彼此之上）。圖11 顯示溫度升高高于 100% 占空比時(shí)的電路板環(huán)境 循環(huán)溫度約為55oC，組分L1是 電感，Q1 和 Q3 是開(kāi)關(guān) 功率場(chǎng)效應管，R5為電感電流 檢測電阻，R32為L(cháng)ED電流 檢測電阻器，U1 是 LT3744。

圖9.啟動(dòng)期間的 LED 均流。

圖 10.滿(mǎn)載時(shí)的直流 LED 均流 — 兩個(gè)并聯(lián)驅動(dòng)器之間的差異很小。

圖 11.100% 占空比的平行板溫度為 LED 提供 324W 的功率。

在此應用中，兩個(gè)獨立的 LED 串可以全電平調暗 PWM 54A.PWM 調光時(shí)，圖 12 顯示LED電流完全 在兩個(gè)驅動(dòng)程序之間共享。在此 測試，LED中電流的上升時(shí)間 從0A到54A為6.6μs。電氣 從每個(gè)驅動(dòng)程序的輸出進(jìn)行連接 對LED必須仔細平衡 避免在任一路徑中增加電感— 這減少了有效上升時(shí)間。

圖 12.LT3744 在 PWM 調光期間在并聯(lián)驅動(dòng)器之間具有出色的 LED 均流功能。

圖 13 顯示了溫度 每個(gè)演示板的上升幅度為 50% PWM 調光 LED 電流為 54A。為了最小化每個(gè) 演示板為L(cháng)ED，并聯(lián)LED 驅動(dòng)板直接安裝在 彼此重疊。更優(yōu)化的布局 將同時(shí)安裝兩個(gè)驅動(dòng)程序 單板，具有驅動(dòng)器布局 相互鏡像，反映在他們的身上 與 LED 的相互連接。每當 設計傳導路徑從 LED驅動(dòng)器要大電流LED，小心 應注意總數 電感。由于電感是一個(gè)函數 電線(xiàn)長(cháng)度，電線(xiàn)越長(cháng)， 當前恢復時(shí)間越長(cháng) LED — 無(wú)論駕駛員的速度有多快。

圖 13.50% PWM 調光時(shí)的并行電路板溫度為 LED 提供 54A 脈沖。

反相降壓-升壓型、120W LED 驅動(dòng)器，具兩個(gè)并聯(lián) LT3744S

反相降壓-升壓應用具有 與同相相同的熱問(wèn)題 轉換器，帶有附加設計 電感電流增加的挑戰。 對于低輸入電壓和高 LED 電壓， 電感器中的平均電流 可能非常高。例如，如果 輸入為3.3V，輸出為1綠色 LED—正向電壓為 6V 20A時(shí)—峰值電感電流為70A。 設計中使用的電感應 飽和電流至少為 20% 更高 - 在本例中，大于 80A。

由于該電流在開(kāi)關(guān)中流動(dòng) 場(chǎng)效應管，場(chǎng)效應管的額定值必須為 大于 80A。通過(guò)放置兩個(gè) LT3744 反相降壓-升壓型轉換器 并聯(lián)時(shí)，峰值開(kāi)關(guān)電流為 減半，降低要求 的電源路徑組件。

在反相降壓-升壓拓撲中， 電感電流輸送到負載 僅在同步 FET 導通期間 時(shí)間。如果兩個(gè)并聯(lián)轉換器 被允許自由奔跑 頻率，有明顯的節拍 LED 電流中的明顯頻率 輕微開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的紋波 頻率差異。為了避免這種情況，每個(gè) 轉換器使用相同的 RT電阻值， 但它們是使用外部同步的 時(shí)鐘。在圖 14 中的應用程序中， 轉換器設計為在 非同步頻率：300kHz— 具有 350kHz 同步時(shí)鐘。

圖 14.此并聯(lián)反相應用可為機箱連接的共陽(yáng)極 LED 提供 120W 功率。

圖 15 顯示了組件溫度 向 LED 提供 30A 電流時(shí)上升 并聯(lián)反相降壓-升壓應用。

圖 15.平行反相板溫度為 LED 提供 120W。

結論

具有包括大電流在內的功能 調節精度，浮動(dòng)PWM門(mén) 驅動(dòng)器和電平轉換輸入信號， LT3744 可配置為驅動(dòng) LED 在廣泛的應用中。這 LT3744 能夠用作 RGB 投影系統中的單個(gè)驅動(dòng)器， 大幅減少整體解決方案空間— 使產(chǎn)生高流明成為可能 來(lái)自智能手機的視頻投影。

通過(guò)使用三個(gè)電流調節 狀態(tài)，LT3744 給出系統 設計師自由雕刻LED顏色， 制作更忠實(shí)的視頻圖像。由 直接調節LED電流 對所有輸入信號進(jìn)行電平轉換，LT3744 具有產(chǎn)生負數的能力 電壓，允許低壓電池 驅動(dòng)多 LED 的操作系統 具有簡(jiǎn)單 2 開(kāi)關(guān)解決方案的字符串。 LT3744 可輕松并聯(lián) 與其他 LT3744 配合使用，以高效提供 極高的電流流向 LED，而 保持當前精度和共享 即使在PWM調光時(shí)。并聯(lián) LT3744 降低了電路板溫度，降低了 支持電感電流和擴展 LED 功率可達數百瓦。

審核編輯：郭婷