20A LED 驅動(dòng)器提供準確度為 ±3% 的滿(mǎn)標度電流檢測

　　快速發(fā)展的 LED 照明應用正在取代幾乎所有傳統形式的照明應用。隨著(zhù)這種轉型的加速，LED 驅動(dòng)器的功率需求也提高了，如果不犧牲效率，那么電流越大，保持電流檢測準確度就越難。LED 驅動(dòng)器必須保持電流檢測準確度，同時(shí)快速向多個(gè)獨立的 LED 負載提供電流，并能夠并聯(lián)連接和準確均流。

　　有些高功率 LED 具有獨特的機械和電氣考慮，其正極電連接至導熱的后飾片。在采用降壓穩壓器配置的傳統 LED 驅動(dòng)器中，熱管理是通過(guò)冷卻底盤(pán)來(lái)實(shí)現的，至后飾片的正極連接線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生一個(gè)機電設計難題。后飾片必須具有至散熱器的良好導熱性，但也必須與之保持電隔離 (如果后飾片上的電壓與底盤(pán)不同)。由于 LED 制造商改變生產(chǎn)工藝或封裝是很困難的，因此 LED 驅動(dòng)器本身必須迎接該設計挑戰。

　　一種選項是使用四開(kāi)關(guān)正降壓-升壓型 LED 驅動(dòng)器，但是額外的開(kāi)關(guān) MOSFET 增加了系統復雜性和成本。負輸出降壓-升壓型拓撲僅采用一組開(kāi)關(guān)功率 MOSFET，且允許正極與散熱器直接 (電) 連接，從而免除了在散熱器上增設電隔離器的需要，并簡(jiǎn)化了系統的機械設計。

　　為了滿(mǎn)足高性能要求，LT3744 可配置為同步降壓型或負輸出降壓-升壓型控制器，以超過(guò) 20A 的連續電流驅動(dòng) LED 負載。LT3744 的電源輸入可以接受 3.3V 至 36V 電壓。作為降壓型轉換器使用時(shí)，該器件在 0V 直至電源電壓范圍內調節 LED 電流。作為負輸出降壓-升壓型轉換器使用時(shí)，LT3744 可在 0V 直至 -20V 的輸出電壓范圍內準確地調節 LED 電流。

　　在滿(mǎn)標度范圍內，模擬電流調節準確度為 3%，甚至在 1/20 標度時(shí)，準確度也好于 ±30%。LT3744 有 3 個(gè)獨立的模擬和數字控制輸入以及 3 個(gè)補償及柵極驅動(dòng)輸出，適合多種 LED 配置。通過(guò)分離電感器電流檢測和 LED 電流檢測，LT3744 可配置為降壓型或負輸出降壓-升壓型控制器。為了便于系統設計，所有輸入信號都以電路板地 (SGND，信號地) 為基準，從而無(wú)需復雜的分立式電平轉換器。

　　在負輸出降壓-升壓型配置中，LED 的總體正向電壓可以高于輸入電源電壓，從而允許用低壓電源驅動(dòng)高壓 LED 串。當出于 PCB 功率密度考慮，需要分散組件功耗時(shí)，LT3744 還可以方便地并聯(lián)，以驅動(dòng)很大的 LED 脈沖負載電流或 DC 負載電流。

　　高準確度電流檢測

　　LT3744 采用一個(gè)高準確度電流調節誤差放大器，可實(shí)現總電流控制范圍的 1/20 之準確模擬調光。在總體數字 PWM 調光范圍有限的應用中，或者在需要非常大的調光范圍的應用中，這個(gè)特點(diǎn)至關(guān)重要。例如，在 100Hz PWM 調光頻率和 1MHz 開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，LT3744 能夠實(shí)現 1250:1 PWM 調光，還可以與 20:1 模擬調光相結合，以使總體調光范圍擴大到 25000:1。

　　圖 1 顯示了當模擬控制輸入為 0V 時(shí)，隨溫度變化 LT3744 失調電壓的生產(chǎn)一致性，在這里，典型器件數量為 380 個(gè)。憑借誤差放大器的低失調，控制環(huán)路在 1/20 標度模擬調光時(shí)，能夠實(shí)現 ±10% 的典型準確度。圖 2 顯示了當控制輸入等于 1.5V 時(shí)，穩定電壓在多個(gè)LED 電流檢測引腳上的分布。滿(mǎn)標度范圍的準確度好于 ±3%，這相當于在 60mV 滿(mǎn)標度調節電壓時(shí)準確度為 ±1.8mV。

　　圖 1：VCTRL = 0V 時(shí)，LT3744 中的 LED 電流調節放大器之典型失調電壓為 ±300μV

　　NUMBER OF UNITS：器件數量

　　380 TYPICAL UNITS：典型情況為 380 個(gè)器件

　　REGULATED VLED_ISP – VLED_ISN VOLTAGE：穩定的 VLED_ISP – VLED_ISN 電壓

　　圖 2：在滿(mǎn)標度電流和 VCTRL = 1.5V 時(shí)，LED 電流調節環(huán)路的典型準確度為 ±1.7%。

　　無(wú)閃爍性能

　　衡量 LED 驅動(dòng)器性能的最重要指標之一是 LED 電流在 PWM 調光時(shí)的恢復速度。在 PWM 接通信號上升沿之后的頭幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，驅動(dòng)器的表現對最終產(chǎn)品的質(zhì)量有很大影響。LT3744 采用專(zhuān)有 PWM、補償和時(shí)鐘同步技術(shù)，提供無(wú)閃爍性能，甚至在驅動(dòng) LED 至 20A 電流時(shí)也是如此。

　　圖 3 顯示了用 12V 電源向紅光 LED 提供 20A 電流時(shí)，在 5 分鐘時(shí)間內 LED 電流的恢復情況。開(kāi)關(guān)頻率為 550kHz，電感器為 1μH，PWM 調光頻率為 100Hz，接通時(shí)間為 10μs(1000:1 調光比)。圖中顯示了大約 3 萬(wàn)個(gè)調光周期，在開(kāi)關(guān)波形中無(wú)抖動(dòng)，每個(gè)恢復開(kāi)關(guān)周期都是相同的。

　　圖 3：LT3744 提供無(wú)閃爍 LED 調光

　　10V/DIV：每格 10V

　　5-MINUTE PERSISTENCE：持續 5 分鐘

　　在3 種不同穩定電流之間高速調光

　　在投影系統中，讓光源更快速地接通可以減少定時(shí)限制。而定時(shí)限制減少，又可以提高影像更新率，從而可以提供分辨率更高的影像，并減輕快速移動(dòng)的白色物體之彩虹效應。LT3744 能夠在不到 3 個(gè)開(kāi)關(guān)中期中，在不同的輸出電流狀態(tài)之間過(guò)渡。

　　LT3744 有 3 種穩定電流狀態(tài)，因此色彩混合系統設計師可以決定每個(gè) LED 的色溫。通過(guò)色彩混合可以實(shí)現很高的色彩準確度，以糾正 LED 色彩的不準確性，消除生產(chǎn)系統導致的各種偏差。LT3743 有小電流和大電流兩種狀態(tài)，LT3744 有 3 種電流狀態(tài)，因此所有 3 種色彩 (RGB) 的 LED 都能夠以它們各自的光輸出相互混合，以獨立地矯正 LED 的色彩。

　　圖 4 顯示了一個(gè) 24V 輸入 / 20A 輸出單 LED 驅動(dòng)器，該驅動(dòng)器提供 3 種不同的穩定電流，這些電流由 CTRL 上的模擬電壓和 PWM 引腳的數字狀態(tài)決定。請注意，既然 RS 僅用于限制電感器峰值電流和提供絕對過(guò)流保護，那么這個(gè)電阻器的準確度就不必很高，這降低了系統成本。

　　圖 4：LT3744 能夠以 3 種不同的電流值驅動(dòng)單個(gè) LED

　　20A MAXIMUM：最大值為 20A

　　BLUE：藍光

　　3 種不同電流狀態(tài)之間的 PWM 調光如圖 5 和圖 6 所示。在圖 5 中，PWM 信號順序接通和斷開(kāi)。PWM3 的優(yōu)先級最高，PWM1 則最低。這允許單一輸入信號快速轉換，以改變輸出電流。如圖 6 所示，PWM 輸入信號之間可以有任意長(cháng)短的時(shí)間間隔。

　　圖 5：LT3744 在 3 種穩定電流狀態(tài)之間轉換，斷開(kāi)時(shí)間不到 3 個(gè)開(kāi)關(guān)周期

　　圖 6：不同電流狀態(tài)可以在任何時(shí)間接通 (狀態(tài)之間具有或沒(méi)有時(shí)間間隔)

　　一款適用于微型投影儀或智能手機投影儀的完整 RGB LED 解決方案

　　在微型投影系統或智能手機投影系統中，減少總體解決方案占用的空間及其成本非常重要。在這類(lèi)應用中，PCB 空間極其有限，驅動(dòng)器解決方案的總體積 (包括組件高度) 必須最小化。僅用 1 個(gè) LED 驅動(dòng)器驅動(dòng)所有 3 個(gè) LED 可以顯著(zhù)減少所需空間，從而允許使用較大的電池或功率較大的 LED，以延長(cháng)電池壽命和提高投影系統光通量。

　　LT3744 同時(shí)采用了開(kāi)關(guān)輸出電容器技術(shù)和浮置柵極驅動(dòng)器，用單個(gè) LED 驅動(dòng)器構成了一個(gè)完整的 RGB 解決方案。LT3744 為 PWM 輸出引腳提供了獨特的柵極驅動(dòng)器。該驅動(dòng)器的負軌浮置在 VFNEG 引腳上，可將所有處于斷開(kāi)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)柵極拉低至負電壓。這確保與輸出電容器串聯(lián)的開(kāi)關(guān)在任何條件下都不會(huì )接通。這個(gè)驅動(dòng)器允許任意 LED 串之間有 15V 壓差。

　　每個(gè) LED 都可以順序接通，相互之間有一定的時(shí)間延遲，或者按照提供給 PWM 數字輸入的任何模式接通。此外，憑借 3 個(gè)獨立的模擬控制輸入，每個(gè) LED 都能夠以不同的穩定電流運行。當 LT3744 配置為負輸出降壓-升壓型轉換器時(shí)，單節鋰離子電池僅用單個(gè)控制器就可以驅動(dòng) 3 個(gè)獨立的 LED 串。圖 7 顯示了一個(gè)專(zhuān)門(mén)為 RGB 微型投影儀設計的 3.3V/5A 負輸出、3 色、降壓-升壓型 LED 驅動(dòng)器。

　　圖 7：LT3744 能夠用單節鋰離子電池驅動(dòng)微型投影儀或智能手機投影儀中所有 3 種色彩 (R、G 和 B) 的 LED。

　　兩個(gè) LT3744 LED 驅動(dòng)器并聯(lián)以組成 324W 雙 LED 驅動(dòng)器

　　在任何大功率 / 大電流控制器設計中都有一個(gè)重要的限制因素，那就是 PCB 的功率密度。PCB 功率密度限制到大約 50W/cm2，以防止電源通路組件的溫度上升得過(guò)高。在極端情況下，當一個(gè) LED 負載需要的功率超過(guò)單個(gè)驅動(dòng)器所能提供的限度時(shí) (仍然保持在功率密度限制之內)，多個(gè)轉換器可以并聯(lián)以分擔負載。

　　一個(gè)具備新式功率 MOSFET 的高效率大電流 LED 驅動(dòng)器控制器可以提供大約 200W (解決方案尺寸大約為 4cm2)，并可將所有電源通路組件的溫度限制到低于 80oC。就高于 200W 的 LED 負載而言，LT3744 可以并聯(lián)，以限制任何組件的溫度上升。所有補償輸出都應該并聯(lián)，以允許轉換器之間的均流。

　　圖 8 顯示了一款 324W 轉換器，由兩個(gè)ADI DC2339A 演示電路板并聯(lián)組成。在這款設計中，每個(gè)并聯(lián)的控制器都產(chǎn)生 27A 電流，總共產(chǎn)生 54A 電流，電壓為 6V。通過(guò)將相應的補償輸出連接到一起，兩個(gè)控制器協(xié)調一致地運行，以提供平滑、良好的啟動(dòng)和準確的 DC 調節。

　　圖 8：一款 57A/324W 雙 LED 驅動(dòng)器

　　圖 9 顯示了每個(gè)電路板的 LED 電流啟動(dòng)過(guò)程。請注意，在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，每個(gè)電路板提供的穩定電流都是相同的。圖 10 顯示，在 DC 穩定且未進(jìn)行 PWM 調光時(shí)，兩個(gè)應用電路板之間實(shí)現了出色的電流均分 (波形是直接在彼此的頂部)。圖 11 顯示，在 100% 占空比時(shí)，溫度上升至比電路板環(huán)境溫度高約 55oC。組件 L1 是電感器、Q1 和 Q3 是開(kāi)關(guān)功率 FET，R5 是電感器電流檢測電阻器，R32 是 LED 電流檢測電阻器，U1 是 LT3744。

　　ADI大功率 LED 驅動(dòng)器控制器系列總結

　　圖 9：?jiǎn)?dòng)時(shí) LED 電流均分

　　CHANNEL：通道

　　10ms/DIV：每格 10ms

　　圖 10：在滿(mǎn)負載時(shí) LED DC 電流均分，兩個(gè)并聯(lián)驅動(dòng)器之間的電流差別非常小。

　　圖 11：100% 占空比、向 LED 提供 324W 功率時(shí)，并聯(lián)電路板的溫度。

　　在這個(gè)應用中，可以對兩個(gè)獨立的 LED 串在 54A 滿(mǎn)電流時(shí)進(jìn)行 PWM 調光。進(jìn)行 PWM 調光時(shí)，圖 12 顯示，LED 電流在兩個(gè)驅動(dòng)器之間是完全地均分的。在這個(gè)測試中，LED 電流從 0A 到 54A 的上升時(shí)間為 6.6μs。從每個(gè)驅動(dòng)器輸出到 LED 的電氣連接必須仔細平衡，以避免在任一通路中增加電感，這會(huì )縮短有效上升時(shí)間。

　　圖 12：在進(jìn)行 PWM 調光時(shí)，LT3744 的并聯(lián)驅動(dòng)器之間實(shí)現了出色的 LED 電流均分。

　　圖 13 顯示，LED 電流為 54A、進(jìn)行 50% PWM 調光時(shí)，每個(gè)演示電路板的溫度上升情況。為了最大限度減小每個(gè)演示電路板到 LED 的電感，并聯(lián) LED 驅動(dòng)器電路板直接安裝在彼此的頂部。一種更加優(yōu)化的布局是，將兩個(gè)驅動(dòng)器安裝在單個(gè)電路板上，每個(gè)驅動(dòng)器的布局相互成鏡像，跨它們與 LED 的共用連接反射。無(wú)論何時(shí)，只要是設計從 LED 驅動(dòng)器到大電流 LED 的傳導通路，就應該密切注意總體電感。既然電感是導線(xiàn)長(cháng)度的函數，那么導線(xiàn)越長(cháng)，LED 中的電流恢復時(shí)間就越長(cháng)，無(wú)論驅動(dòng)器速度有多快。

　　圖 13：50% PWM 調光、向 LED 提供 54A 脈沖電流時(shí)，并聯(lián)電路板的溫度。

　　兩個(gè) LT3744 并聯(lián)，組成負輸出降壓-升壓型 120W LED 驅動(dòng)器

　　與非負輸出轉換器一樣，負輸出降壓-升壓型應用也有同樣的熱量問(wèn)題，此外還增加了電感器電流增大的設計挑戰。就低輸入電壓和高 LED 電壓而言，電感器中的平均電流有可能非常大。例如，如果輸入為 3.3V，輸出驅動(dòng)一個(gè)綠光 LED，該 LED 在 20A 時(shí)的正向電壓為 6V，那么電感器峰值電流為 70A。此設計中所用電感器的飽和電流應該至少高出 20%，那么本例中就應該高于 80A。

　　既然這一電流流經(jīng)開(kāi)關(guān) MOSFET，那么 MOSFET 的額定值就必須大于 80A。通過(guò)并聯(lián)兩個(gè) LT3744 負輸出降壓-升壓型轉換器，峰值開(kāi)關(guān)電流就減小了一半，從而降低了對電源通路組件的要求。

　　在負輸出降壓-升壓型拓撲中，僅在同步 FET 導通時(shí)，電感器電流才提供給負載。如果允許兩個(gè)并聯(lián)轉換器以其自由運行頻率運作，那么在 LED 電流紋波中會(huì )有明顯的拍頻，這是由開(kāi)關(guān)頻率的輕微差別導致的。為了避免這個(gè)問(wèn)題，每個(gè)轉換器都采用電阻值相同的 RT，但是這些轉換器都用一個(gè)外部時(shí)鐘同步。在圖 14 所示應用中，轉換器設計為以 300kHz 非同步頻率運行，同步時(shí)鐘為 350kHz。

　　圖 14：并聯(lián)負輸出應用向連接到系統外殼的公共陽(yáng)極 LED 提供 120W 功率。

　　圖 15 顯示，向并聯(lián)負輸出降壓-升壓型應用中的 LED 提供 30A 電流時(shí)，組件溫度的上升情況。

　　圖 15：向 LED 提供 120W 功率的并聯(lián)負輸出電路板的溫度

　　結論

　　LT3744 的特點(diǎn)包括很高的電流調節準確度、浮置 PWM 柵極驅動(dòng)器和輸入信號電平轉換，可以在多種應用中用來(lái)驅動(dòng) LED。LT3744 能夠用作 RGB 投影系統中的單個(gè)驅動(dòng)器，從而顯著(zhù)減小總體解決方案所需占用的空間，這就有可能用智能手機實(shí)現光輸出很大的視頻投影。

　　通過(guò)運用 3 種電流調節狀態(tài)，LT3744 使系統設計師能夠自由決定 LED 色彩，從而產(chǎn)生色彩更加準確的視頻影像。通過(guò)直接調節 LED 電流和對所有信號進(jìn)行電平轉換，LT3744 能夠產(chǎn)生負電壓，從而允許憑借簡(jiǎn)單的雙開(kāi)關(guān)解決方案，用低壓電池供電系統驅動(dòng)多個(gè) LED 串。LT3744 可以非常簡(jiǎn)便地并聯(lián)，以向 LED 高效率提供極大的電流，同時(shí)保持電流準確度和電流均分，甚至在 PWM 調光時(shí)也是如此。并聯(lián) LT3744 降低了電路板溫度和電感器電流，并將所支持的 LED 功率提高到數百瓦。