同步、低 EMI LED 驅動器具集成式開關和內部 PWM 調光能力

本文作者：ADI公司電源產品部，應用工程組負責人 Keith Szolusha，副應用工程師 Kyle Lawrence

LED 的應用范圍不斷擴大，已經涉及從通用照明到汽車、工業和測試設備、招牌以及安全設備的各種領域。因此，對 LED 驅動器的設計要求也越來越多了。最新 LED 解決方案要求驅動器具備緊湊的尺寸、高效率和低噪聲，并提供高的調光比和先進的故障保護功能。LT3922 非常容易滿足這些要求。

LT3922 具集成式開關和內部 PWM 調光能力

LT3922 是一款 36V、同步 LED 驅動器，集成了 2A 開關，可配置為升壓、降壓或升壓-降壓型 LED 驅動器。該器件集成了高效率、同步電源開關，采用纖巧的 4mm x 5mm QFN 封裝。這款器件采用了ADI最先進的開關技術，雖然封裝尺寸很小，卻能夠提供很大的功率，同時還能夠控制邊沿速度，并降低不想要的場致輻射。集成的同步開關邊沿是受控的，不產生振鈴，從而能夠在高效率和低噪聲之間提供恰當的平衡，這些開關還能夠以高達 2.5MHz 的頻率切換，因此可構成尺寸緊湊的解決方案。

拓撲選擇：升壓、降壓、升壓-降壓模式

LED 串由受控的電流驅動，該電流不必直接返回地。LED+和LED?或其中任一端子可以連至非地電位。這就為選擇包括降壓和升壓-降壓型拓撲在內的浮置輸出 DC/DC LED 驅動器拓撲創造了機會。LT3922 的高壓側 PWMTG 驅動器和同步開關可以配置為升壓、降壓或升壓-降壓模式 LED 驅動器，同時保持該 IC 的所有功能都可用，也就是說，內部PWM 調光、SSFM (擴展頻譜頻率調制)、低EMI、ISMON 輸出電流監視器、和輸出故障保護功能從標準升壓型拓撲到降壓型和升壓-降壓型拓撲也都提供。

升壓型拓撲

LT3922 作為升壓型轉換器運行時，可為高達 34V 的 LED 串供電，在 40V 以下留出一些空間，以防 LED 開路過沖。如圖 1 所示，2MHz、4V 至 28V 升壓型 LED 驅動器為高達 34V 的 LED 串提供 330mA 電流。該器件可以從外部以 120Hz 頻率和 2000:1 調光比進行 PWM 調光，或者可以從內部以 128:1 調光比、用 PWM 引腳上的模擬輸入電壓調光。

圖 1：2MHz 常規升壓型拓撲原理圖，120Hz、2000:1 PWM 調光比

該器件可以承受 LED 開路和 LED+至地短路而不被損壞，并通過確定 FAULT 引腳，報告這類故障。輸出電流可以通過 ISMON 引腳監視，甚至在 PWM 調光時也可以。在 2MHz 開關頻率時，其基頻 EMI 諧波駐留在高于 AM 頻段的頻率上，但其 EMI 仍然很低。還可以增加擴展頻譜頻率調制以擴展 2MHz 至 2.5MHz 的開關頻率，并降低基頻及很多諧波頻率上的 EMI。由于集成了同步開關，所以這個 2MHz 升壓型轉換器的效率在 12VIN時依然保持高達 91%。在較低 VIN時，當峰值電感器電流達到其限制值時，輸出電流無閃爍地平滑降低，同時 LED 仍然保持接通。

降壓型拓撲

如圖 2 所示，當 LT3922 用于降壓模式拓撲時，輸入電壓可以高達 36V，并能夠以高達 1.5A 的電流驅動一個 LED 串。高壓側 ISP 及 ISN 電流檢測輸入和 PWMTG PMOS 驅動器很容易轉移到 LED 的高壓側，在降壓模式時，LED 的高壓側連至輸入。LED?直接連至電感器而不是地。當以 6.5V 驅動兩個 1A LED 時，VIN為 12V 時的同步降壓模式效率高達 94%，VIN為 36V 時效率仍然保持高達 89%。該降壓模式轉換器具很大的帶寬，因此能夠在100Hz以1000:1 PWM 調光比運行。

圖 2：以 1000:1、100Hz PWM 調光進行亮度控制的 400kHz 降壓模式 LED 驅動器

升壓-降壓型拓撲

圖 3 所示 LT3922 升壓-降壓型拓撲支持高于和低于 LED 串電壓的輸入電壓范圍。LED 串電壓之和以及輸入電壓必須保持低于 35V，以保持 ISP 和 ISN 電壓低于 40V 絕對最大值。

圖 3：2MHz 升壓-降壓型 LED 驅動器的輸入和輸出紋波很低。這個解決方案通過了 CISPR 25 Class 5 測試。

這種已獲專利的低 EMI 拓撲采用升壓型低紋波輸入電感器和降壓型低紋波輸出電感器。采用4V 至 18V 汽車輸入或化學組成不同的多種電池輸入 (5V、12V 和 19V) 時，升壓-降壓型轉換器可驅動電壓范圍為 3V 至 16V 的 LED 串。

與其他拓撲一樣，PWMTG 驅動器簡化了用于 PWM 調光的 MOSFET 的連接。在浮置 LED 拓撲中，開路和短路保護不受影響。在 LED?端上的一個可選二極管防止受到 LED?至 GND 短路的影響。

圖 3 中的 2MHz 轉換器在 12V VIN、15V VLED、330mA ILED時效率為 85% (無 EMI 濾波器時為 87%)，在 120Hz 時提供 2000:1 PWM 調光比。這個解決方案尺寸小、具通用性和低 EMI，可滿足汽車白天行車燈、信號指示燈或尾燈 LED 驅動器的要求。

汽車照明

LED 的諸多特點使其非常適合用于汽車照明。LED 尾燈和白天行車燈在視覺上具吸引力。高效率LED 前燈堅固可靠，與之前相對容易燒壞和基于燈絲的前燈相比，LED 前燈的壽命長出幾個數量級。LED 驅動器很小，效率很高，有很寬的輸入和輸出電壓范圍，而且EMI 也很低。

纖巧的 LT3922 LED 驅動器之EMI 很低，具汽車環境所要求的高效率和故障保護功能。該器件可以在 9V 至 16V 汽車輸入范圍內運行，并可在 36V 瞬態和低至 3V 的冷車發動情況下保持運作。其低 EMI Silent Switcher?架構、SSFM 和受控的開關波形邊沿使該器件非常適合給要求低 EMI 的 LED 供電。該器件的通用性使其能夠用于升壓、降壓和升壓-降壓型應用，例如外部白天行車燈、信號指示燈、尾燈和前燈以及內部儀表板和具高調光比的平視顯示器。為防止受到 LED 串短路和開路的影響，需要保護電路，而該器件固有的靈活性和內置故障保護功能有助于減少保護電路所需的組件數。

圖 4 所示的 400kHz 汽車用升壓型 LED 驅動器通過了 CISPR 25 Class 5 EMI 測試，如圖 5 所示，圖中顯示了 LT3922 的傳導和輻射 EMI 測試結果以及 Class 5 EMI 限制。這是 LT3922 各項低 EMI 特性相結合所得到的結果，包括但不限于受控的開關波形邊沿和SSFM。當然，恰當的布局和少量鐵氧體珠濾波 (FB1 和 FB2) 也要使用，以獲得最佳 EMI 結果。

圖 4：400kHz 汽車用升壓型 LED 驅動器采用濾波器以實現低 EMI，可選擇內部產生的 100%、10% 或 1% PWM 調光。EMI 測試 (圖 5) 顯示，這個解決方案通過了 CISPR 25 Class 5測試。

圖 5：圖 4 所示400kHz LED 驅動器的 EMI 曲線，該驅動器采用了最小型的 EMI 濾波器，通過了 CISPR 25 Class 5測試。如果為了滿足制造商提出的特定 EMI 要求而需要進一步降低 EMI，還可以給輸入端增加一個較大的 LC 濾波器。

固有特性幫助實現低 EMI

LT3922 具備的一些特性使設計師能夠非常容易地實現低 EMI 解決方案。首先，LT3922 采用ADI已獲專利的 Silent Switcher 架構，在這種架構中，內部同步開關最大限度減小了熱切換環路尺寸，而且受控的開關波形邊沿不會出現振鈴。

圖 6 顯示，LT3922 的引腳布局允許靠近兩個 VOUT引腳放置小型、高頻電容器，以最大限度減小熱環路尺寸和 EMI。

圖 6：雙環路布局和高頻 0402 分裂電容器構成了小型、方向相反的熱環路，以幫助降低高頻 EMI

LT3922 控制開關邊沿速率，從而消除了高頻振鈴，在沒有這種控制功能的開關轉換器中，高頻振鈴很常見。由于 LT3922 的開關邊沿是受控的，所以可在不降低效率和供電能力的前提下，降低電源開關產生的高頻 EMI。

LT3922 的 SSFM 以 1.6kHz 的速率將電阻器設定的、400kHz 轉換器之開關頻率范圍從 100% 向上和向下擴展為 125%。這降低了轉換器在低頻和高頻時的峰值 EMI 和平均 EMI。通過將 SYNC/SPRD 引腳分別連至INTVcc 或GND，可以非常容易地接通或關斷這功能。

內部產生的 PWM 調光

通過 CTRL 引腳上的可調電壓進行模擬調光，總是比進行更準確的 PWM 調光來的容易。迄今為止，PWM 調光一直需要一個外部時鐘或微信號，該信號通過 PWM 輸入引腳以其占空比控制亮度。不過，LT3922 具內部產生的 PWM 調光信號，僅需要在 PWM 引腳加上一個外部電壓來設定占空比，就可實現 128:1 PWM 調光比。PWM 周期(例如 122Hz) 是由 RP 引腳上的單個電阻器設定的。

對于具冗余燈組的車輛而言，很有必要保證 LED 電流的準確度。很顯然，兩側燈的亮度必須匹配。以同樣方式制造出來的 LED在采用同樣的驅動電流時，產生的亮度可能不同。LT3922 的內部調光功能可用來在接近或幾乎達到100% 占空比時微調亮度，然后設定準確的10:1 或100:1 調光比。這可以使燈組制造商避免因特別的分級LED 而增大成本。

當需要較高調光比時，LT3922 可從外部以通常方式調光。圖 2 中的大帶寬 400kHz 降壓模式 LED 驅動器在 100Hz 時產生 1000:1 PWM 調光比。圖 1 中的 2MHz 升壓型 LED 驅動器在 120Hz 時可實現 2000:1 調光比，如圖 7a 所示。通過在 RP 引腳放置一個設定 122Hz 頻率的電阻器，并將 PWM 引腳電壓設定在 1.0V 至 2.0V 之間，可以將相同的電路設置為從內部產生 PWM 調光，調光比為 128:1，如圖 7b 所示。在有些應用中，LT3922 可設置為以 5000:1 的外部 PWM 調光比運行，PWM 調光還可以與 LT3922 的模擬調光相結合，提供超過 50000:1 的亮度控制。

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圖 7：(a) 圖 1 電路從外部產生 2000:1 或 4000:1 PWM 調光；(b) 圖 1 電路從內部產生 128:1 PWM 調光。

機器視覺

在工業流水線應用中，機器視覺 (圖 8) 運用高速數字攝影和數字成像處理，快速提供有關設備的視覺反饋信息。這有助于在無需或很少需要人工檢查的情況下，迅速發現并隔離有缺陷的產品。機器視覺系統的照明必須與流水線的速度同步，同時能夠針對無限期的關斷時間產生一致的光脈沖。

對常規 LED 驅動器而言，只要 PWM 輸入信號保持低電平，無論保持時間長短，驅動器都無法保持輸出電壓。這是因為輸出電容器在逐漸放電，因此通用 LED 驅動器不適合機器視覺這類應用。但 LT3922 在 PWM 信號下降沿時，以數字方式對轉換器的輸出狀態采樣。然后，通過在 PWM 關斷且 LED 被高壓側 PMOS 斷開時執行“保持切換”，該器件能夠在長時間關斷時保持其輸出電壓。在以 100Hz 以上的頻率進行標準 PWM 調光時，最長關斷時間為 10ms 或更短，這時不會從輸出拉走太大的漏電流。機器視覺和頻閃應用可能有 100ms 和 5s (或更長) 的關斷時間，因此泄漏電流會增大數十至數百倍。

“保持切換”確保輸出電容器保持在 LT3922 前一個采樣周期中記錄下的電壓。假定該 IC 得到不間斷的功率輸入，那么轉換器狀態的數字采樣值可以無限期存儲。這就允許 LT3922 在任何給定關斷時間內，提供一致的輸出電流波形，如圖 9 所示。

圖 8：采用機器視覺應用的流水線系統概述

CAMERA：攝像機

IMAGE LIBRARY & PROCESSING：圖像庫和圖像處理

ROBOTICS：機器人

LED FLASH：LED 閃光燈

CONVEYOR WITH OBJECTS：載有物體的傳送帶

1ms –1s PERIOD：1ms 至 1s 周期

LT3922 PRODUCES CONSISTENT LED OUTPUT REGARDLESS OF PERIOD BETWEEN FLASHES：

無論兩次閃光之間間隔多長時間，LT3922 都產生一致的 LED 輸出

圖 9：無論空閑或停機時間多長，攝像機閃光燈的波形都是相同的。圖中波形顯示了 10ms 以后和一個小時以后的脈沖?？臻e一個小時以后和空閑 10ms 以后，閃光燈的波形是相同的。這些波形是從圖 1 所示電路得出的。

10ms SINCE LAST PULSE：上一個脈沖之后 10ms

10ms BEFORE NEXT PULSE：下一個脈沖之前 10ms

1 hour SINCE LAST PULSE：上一個脈沖之后 1 小時

100ms, 1s, 1 hour, 1 day BEFORE NEXT PULSE：下一個脈沖之前 100ms、1s、1 小時、1 天

結論

具內部同步、2A 開關的 36V LED 驅動器 LT3922 是一款緊湊、通用的 LED 驅動器。該器件非常容易用于升壓、降壓和升壓-降壓型拓撲。無論用于哪種拓撲，所有特色都能發揮作用，包括高 PWM 調光比能力和內部產生 PWM 調光。用其 Silent Switcher 布局和 SSFM 可以非常容易地實現低 EMI。其緊湊的同步開關可保持高效率，甚至在高達 2MHz 頻率時也是如此。憑借堅固可靠的故障保護功能，這款IC 非常容易滿足汽車以及其他要求非常嚴格的應用之需求。

表 1：輸入范圍很寬的 LED 驅動器