采用MAX16834設計白光LED驅動(dòng)器

該參考設計中，buck-boost轉換器(以輸入電壓為參考)從7V至18V直流電源產(chǎn)生驅動(dòng)4個(gè)白光LED (Wled)的350mA電流，設計采用MAX16834電流模式高亮度(HB) LED驅動(dòng)器。

　　LED驅動(dòng)器規范

　　輸入電壓：7V至18V
　　輸入電壓紋波：100mVP-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數量：4只(最大值)
　　輸出過(guò)壓保護：17.2V

　　輸入端

　　VIN、PGND：電源輸入
　　PWMDIM、SGND：PWM調光輸入

　　輸出端

　　LED+：連接LED陽(yáng)極至LED+
　　LED-：連接LED陰極至LED-

圖2. LED驅動(dòng)器原理圖

元件列表* (材料清單BOM)

詳細說(shuō)明

　　將boost轉換器輸出負端連接到輸入電源正端，構成buck-boost轉換器(以輸入電壓為參考)。

　　在此設計一款buck-boost轉換器(以輸入電壓為參考)，從7V至18V直流電源產(chǎn)生350mA電流，驅動(dòng)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驅動(dòng)器集成了峰值電流模式控制器，工作于CCM (連續導通模式)，開(kāi)關(guān)頻率為495kHz。開(kāi)關(guān)頻率通過(guò)R15電阻(11kΩ)設置。

　　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(guò)放大的電壓與R16和R17設定的基準電壓進(jìn)行比較，其差值由一個(gè)GM = 500micro;S的跨導放大器進(jìn)行放大，輸出信號在COMP引腳產(chǎn)生控制電壓，此電壓設置電流環(huán)路的基準，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。

　　轉換器設計

　　轉換器設計參數如下：
　　輸入電壓范圍：7V至18V
　　輸入電壓紋波：100mVP-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(kāi)關(guān)頻率：455kHz
　　按照式1計算N2的最大占空比：

　　其中，VLEDMAX是LED最大電壓，VINMIN是最低輸入電壓，VD是二極管壓降，VDS是FET開(kāi)關(guān)導通時(shí)的平均壓降。

　　本應用中，DMAX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計算：

　　其中，ILAVG為平均電感電流，ΔIL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ΔIL為30%，代入已知參數，可以得到：

　　最小電感量可由式5計算：

　　其中，fSW為開(kāi)關(guān)頻率?？紤]到20%的容差，可得LMIN = 17μH，此處選擇22μH電感。

　 開(kāi)關(guān)檢流電阻(R9)

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

　　計算得到：R9 = 0.133Ω，這里R9選擇0.15Ω。

　　斜率補償電容(C13)

　　眾所周知，在峰值電流模式控制中，CCM boost轉換器的占空比超過(guò)50%時(shí)環(huán)路將出現不穩定，需要引入適當的斜率補償，以消除由諧波分量引起的不穩定性。MAX16834具有內部斜坡發(fā)生器，用于斜率補償。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，斜坡電壓復位，然后按外部電容C13設定的速率上升，C13由內部的100μA電流源進(jìn)行充電，斜坡電壓與R9兩端的電壓內部疊加。C13的計算如式7所示：

　　其中，VSLOPE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計算R5：

　　在此應用中，取VREFI = 1.94V，得到：R5 = 0.56Ω。

　　濾波電容

　　輸出電容COUT (C7與C8的并聯(lián)電容)按式10計算：

　　其中，ΔVLED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(dòng)態(tài)阻抗。為延長(cháng)LED使用壽命并保證其色度，LED上的紋波電流應小于其平均電流的5%。本應用中，計算得到COUT為3μF，故電容C7、C8均選用2.2μF/50V。

　　由式11計算輸入電容(C1、C2的并聯(lián)電容)：

　　其中，ΔVIN為輸入電壓紋波的峰峰值。

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

　反饋補償

　　Buck-boost轉換器的傳遞函數在右半平面存在一個(gè)零點(diǎn)，可用式12計算：

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

　　其中，RO為負載等效阻抗，由下式確定：

　　從式14可得fP1 = 4.7kHz。

　　接下來(lái)選擇補償元件R10和C12，它們需要在極點(diǎn)頻率fP1處產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，并調整fP1處的環(huán)路增益，使之在fC達到0dB。

　　利用式15計算R10：

　　從式15可得R10 = 341Ω，此處R10選擇301Ω電阻；GM是內部跨導放大器的增益。

　　相應地，C12可以計算如下：

　　從式16可得C12 = 0.11μF，此處選用0.1μF電容。

　　數字PWM調光

　　MAX16834內部有一個(gè)用于PWM調光的MOSFET驅動(dòng)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(guò)改變PWM信號的占空比調節LED亮度。

　　NDRV驅動(dòng)器和跨導放大器輸出由PWM信號控制，PWM信號為高時(shí)，NDRV使能，跨導放大器的輸出端連接到COMP引腳；信號為低時(shí)，NDRV被禁止，跨導放大器的輸出端斷開(kāi)，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?，NDRV將使能，放大器輸出又連接到COMP端，從而快速建立穩定的工作狀態(tài)。

　　LED開(kāi)路保護

　　如果空載或發(fā)生LED開(kāi)路故障，boost轉換器將會(huì )產(chǎn)生很高的輸出電壓，該轉換器可在發(fā)生這種高電壓時(shí)關(guān)閉，電壓門(mén)限通過(guò)R11和R12設定。R11和R12的分壓點(diǎn)接到IC的OVP引腳，當該引腳電壓達到1.435V (典型值)時(shí)，轉換器將關(guān)閉。本設計中，R11和R12設定的LED開(kāi)路保護點(diǎn)為輸出電壓達到17.2V。