該參考設(shè)計中,buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)從7V至18V直流電源產(chǎn)生驅(qū)動4個白光LED (WLED)的350mA電流,設(shè)計采用MAX16834電流模式高亮度(HB) LED驅(qū)動" title="LED驅(qū)動">LED驅(qū)動器。
LED驅(qū)動器規(guī)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)
LED數(shù)量:4只(最大值)
輸出過壓保護(hù):17.2V
輸入端
VIN、PGND:電源輸入
PWMDIM、SGND:PWM調(diào)光輸入
輸出端
LED+:連接LED陽極至LED+
LED-:連接LED陰極至LED-
圖2. LED驅(qū)動器原理圖
元件列表* (材料清單BOM)
該參考設(shè)計中,buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)從7V至18V直流電源產(chǎn)生驅(qū)動4個白光LED" title="白光LED">白光LED (WLED)的350mA電流,設(shè)計采用MAX16834電流模式高亮度(HB) LED驅(qū)動器。
LED驅(qū)動器規(guī)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)
LED數(shù)量:4只(最大值)
輸出過壓保護(hù):17.2V
輸入端
VIN、PGND:電源輸入
PWMDIM、SGND:PWM調(diào)光輸入
輸出端
LED+:連接LED陽極至LED+
LED-:連接LED陰極至LED-
圖2. LED驅(qū)動器原理圖
元件列表* (材料清單BOM)
詳細(xì)說明
將boost轉(zhuǎn)換器輸出負(fù)端連接到輸入電源正端,構(gòu)成buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)。
在此設(shè)計一款buck-boost轉(zhuǎn)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(qū)動4個白光LED (WLED) (每個WLED在350mA時的正向壓降為3.5V)。MAX16834 HB LED驅(qū)動器集成了峰值電流模式控制器,工作于CCM (連續(xù)導(dǎo)通模式),開關(guān)頻率為495kHz。開關(guān)頻率通過R15電阻(11kΩ)設(shè)置。
輸入、輸出電壓變化時,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(nèi)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)過放大的電壓與R16和R17設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,其差值由一個GM = 500µS的跨導(dǎo)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(shè)置電流環(huán)路的基準(zhǔn),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(zhuǎn)換器設(shè)計
轉(zhuǎn)換器設(shè)計參數(shù)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開關(guān)導(dǎo)通時的平均壓降。
本應(yīng)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(shù),可以得到:
最小電感量可由式5計算:
其中,fSW為開關(guān)頻率??紤]到20%的容差,可得LMIN = 17µH,此處選擇22µH電感。
開關(guān)檢流電阻(R9)
正常工作時,開關(guān)檢流電阻兩端的電壓最大值不應(yīng)高于250mV,如果檢流電阻的電壓達(dá)到300mV (典型值),轉(zhuǎn)換器將關(guān)斷。R9上的電壓決定了開關(guān)周期中導(dǎo)通脈沖的寬度,芯片內(nèi)部提供了前沿屏蔽電路,可防止開關(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(zhuǎn)換器的占空比超過50%時環(huán)路將出現(xiàn)不穩(wěn)定,需要引入適當(dāng)?shù)男甭恃a償,以消除由諧波分量引起的不穩(wěn)定性。MAX16834具有內(nèi)部斜坡發(fā)生器,用于斜率補償。在每個開關(guān)周期開始時,斜坡電壓復(fù)位,然后按外部電容C13設(shè)定的速率上升,C13由內(nèi)部的100µA電流源進(jìn)行充電,斜坡電壓與R9兩端的電壓內(nèi)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,實際選取1.5nF電容。
LED檢流電阻(R5)
利用式9計算R5:
在此應(yīng)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的動態(tài)阻抗。為延長LED使用壽命并保證其色度,LED上的紋波電流應(yīng)小于其平均電流的5%。本應(yīng)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(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)在右半平面存在一個零點,可用式12計算:
本應(yīng)用中,fRHPZ在37.8kHz處,為了提供充分的相位裕量,保持環(huán)路穩(wěn)定,在-20dB/十倍頻程時,整個環(huán)路增益應(yīng)在RHP零點頻率的1/5之前達(dá)到0dB,由此可得截止頻率fC為7.56kHz。輸出電容和負(fù)載等效輸出阻抗會產(chǎn)生一個極點:
其中,RO為負(fù)載等效阻抗,由下式確定:
從式14可得fP1 = 4.7kHz。
接下來選擇補償元件R10和C12,它們需要在極點頻率fP1處產(chǎn)生一個零點,并調(diào)整fP1處的環(huán)路增益,使之在fC達(dá)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(nèi)部跨導(dǎo)放大器的增益。
相應(yīng)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(shù)字PWM調(diào)光
MAX16834內(nèi)部有一個用于PWM調(diào)光的MOSFET驅(qū)動器,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,通過改變PWM信號的占空比調(diào)節(jié)LED亮度。
NDRV驅(qū)動器和跨導(dǎo)放大器輸出由PWM信號控制,PWM信號為高時,NDRV使能,跨導(dǎo)放大器的輸出端連接到COMP引腳;信號為低時,NDRV被禁止,跨導(dǎo)放大器的輸出端斷開,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(wěn)定的工作狀態(tài)。
LED開路保護(hù)
如果空載或發(fā)生LED開路故障,boost轉(zhuǎn)換器將會產(chǎn)生很高的輸出電壓,該轉(zhuǎn)換器可在發(fā)生這種高電壓時關(guān)閉,電壓門限通過R11和R12設(shè)定。R11和R12的分壓點接到IC的OVP引腳,當(dāng)該引腳電壓達(dá)到1.435V (典型值)時,轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉。本設(shè)計中,R11和R12設(shè)定的LED開路保護(hù)點為輸出電壓達(dá)到17.2V。