長(cháng)串LED boost驅動(dòng)器(使用鋁電解電容)
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圖10. 電感溫度的上升，計算器由Coilcraft®提供。
電路說(shuō)明
概述
該參考設計為驅動(dòng)長(cháng)串LED提供高壓boost電流源，適用于LCD TV背光、LCD監視器背光、路燈、停車(chē)場(chǎng)照明等。長(cháng)串LED驅動(dòng)是一種高性?xún)r(jià)比LED驅動(dòng)方案。另外，由于LED具有完全相同的電流，可以很好地控制亮度變化。設計采用24V輸入，提供高達80V的LED輸出，能夠為L(cháng)ED串提供高達350mA的電流。測得的輸入功率為29.3W，輸出功率為26.4W，效率大約為90%。PCB
印刷電路板(PCB)是用于MAX16834升壓設計的通用電路板(圖1和圖3)。因此，電路板中有許多短路或未組裝的元件。原理圖(圖2)中給出了這些元件。圖4所示為該設計的材料清單。拓撲結構
本設計采用300kHz非連續boost調節器。圖5所示電子表格顯示了計算得出的MOSFET和電感的RMS電流、峰值電流。不可否認，非連續工作模式具有一些缺點(diǎn)，MOSFET和電感電流較大。然而，由于MOSFET (Q1)導通時(shí)輸出電流基本為零，輸出二極管(D2)的反向恢復損耗極小。這一優(yōu)勢彌補了設計中的不足，因為反向恢復電流產(chǎn)生的過(guò)熱和噪聲很難控制。檢查圖6所示電路波形，可以發(fā)現MOSFET的導通時(shí)間大約為1.6µs。一旦斷開(kāi)MOSFET，電感連接到輸出電容，漏極電壓將跳至75V并保持大約1µs的時(shí)間。此后，電感能量基本耗盡，在隨后的1微秒內，電感和MOSFET的輸出電容開(kāi)始自激，直到下一個(gè)導通周期。MOSFET驅動(dòng)
由于采用非連續設計，MOSFET峰值電流高于連續工作模式下電流的兩倍。然而，由于MOSFET導通期間沒(méi)有電流通過(guò)，只有斷開(kāi)期間才會(huì )出現開(kāi)關(guān)損耗。MAX16834為MOSFET提供足夠的驅動(dòng)，可以在大約20ns內斷開(kāi)開(kāi)關(guān)(圖7)，因此溫度上升的幅度較小。如果系統存在EMI問(wèn)題，可以更改MOSFET柵極的串聯(lián)電阻和二極管，以調整開(kāi)關(guān)時(shí)間。必要時(shí)，將第二個(gè)MOSFET (Q2)與Q1并聯(lián)，以減少溫升。輸出電容
驅動(dòng)器使用壽命較長(cháng)的電解電容作為輸入和輸出電容。電解電容器的耐用性不及陶瓷電容，且尺寸較大，但能夠以較低成本提供充足的電容量。為了控制電路高度(10mm)，電解電容以水平方向安裝在電路板上。輸入、輸出電容在+105°C條件下的額定使用壽命分別為4000小時(shí)和8000小時(shí)。通常，環(huán)境溫度每降低10°C，電解電容的使用壽命延長(cháng)一倍。這意味著(zhù)在+65°C環(huán)境溫度下，輸入/輸出電容的預期壽命分別為64000小時(shí)/128000小時(shí)。圖5電子表格顯示，只需大約6µF的輸出電容即可達到所要求的輸出電壓紋波。由于電解電容器的紋波電流容量有限，本設計使用了兩個(gè)47µF電容。使用多個(gè)電容能夠消除大部分開(kāi)關(guān)頻率的紋波電壓(圖8)。但由于電容選擇了具有較高等效串聯(lián)電感(ESL)的電解電容，無(wú)法完全濾除MOSFET開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)所產(chǎn)生的電路噪聲。在輸出端添加陶瓷電容或低Q值LC濾波器可以在一定程度上解決這一問(wèn)題。任何元件都需要付出一定的成本，在安裝之前應首先確定是否存在與高頻尖峰信號。調光
MAX16834非常適合調光。當PWMDIM (IC的第10引腳)為低電平時(shí)，會(huì )產(chǎn)生以下三個(gè)操作：首先，開(kāi)關(guān)MOSFET (Q1)的柵極驅動(dòng)(第13引腳)變?yōu)榈碗娖?，避免額外能量傳送給LED串；其次，調光MOSFET (Q3)的柵極驅動(dòng)(第18引腳)變?yōu)榈碗娖?，可以立即降低LED串的電流，而且調光MOSFET可以在斷開(kāi)期間保持輸出電容的電壓恒定；最后，為了保持補償電容的穩定電壓，COMP (第3引腳)變?yōu)楦咦?。COMP引腳的高阻可確保IC在PWMDIM返回高電平后立即以正確的占空比開(kāi)始工作。上述操作以及非連續工作模式中在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)電感電流為零，使得PWM具有極短的導通時(shí)間，因此可以獲得較高的調光高。調光比僅受限于主開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器的頻率。由于本設計的工作頻率為300kHz，PWM最短導通時(shí)間約為3.33µs，意味著(zhù)調光比可以達到1500:1 (200Hz調光頻率)。圖9給出了導通時(shí)間低于4µs時(shí)，LED串的電流。LED串電流符合要求，可以提供最高350mA的電流。OVP
如果LED串開(kāi)路，MAX16834的過(guò)壓保護(OVP)電路會(huì )在下次導通前將驅動(dòng)器斷開(kāi)大約400ms。本設計的OVP閾值設為101V。FAULT#
MAX16834提供一路FAULT#輸出信號。一旦檢測到內部故障(過(guò)流或過(guò)壓)，該輸出將變?yōu)榈碗娖?。故障解除后，FAULT#即可恢復到高電平。FAULT#不會(huì )鎖定。溫升
由于電路高效(大約90%)工作，驅動(dòng)元件的溫度不會(huì )升高。電感則例外，其溫度上升幅度可以達到+49°C，高于圖10中Coilcraft給出的+27°C預測溫度。當峰值電流在RMS電流兩倍以上時(shí)(非連續設計會(huì )出現這種情況)，預測溫度偏差較大。高溫環(huán)境下，需要使用汽車(chē)級電感(+125°C)或使用兩個(gè)串聯(lián)的6µH電感。常溫或較低溫度環(huán)境下，一個(gè)12µH電感即足以滿(mǎn)足要求。溫度測量
使用實(shí)際的LED負載測量以下溫度：| VIN: | 24VDC | |
| Ambient: | +22°C | ΔT |
| L1: | +71°C | 49°C |
| D2: | +43°C | 21°C |
| Q2: | +38°C | 16°C |
| Q3: | +34°C | 12°C |
加電過(guò)程
- 在LED+焊盤(pán)和LED-焊盤(pán)之間連接最多23個(gè)串聯(lián)的LED。
- 在VIN焊盤(pán)和GND焊盤(pán)之間連接24V/2A電源。
- 如果需要調光，在DIM IN和GND焊盤(pán)間加載一個(gè)PWM信號(0至5V)。
- 接通24V電源。
- 根據需要調整PWM占空比，進(jìn)行調光。
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