低功耗投影儀的RGB LED驅(qū)動器參考設(shè)計

本應(yīng)用筆記介紹了低功耗投影儀的RGB LED驅(qū)動器參考設(shè)計。該設(shè)計利用單片MAX16821 HB LED驅(qū)動器在每一時刻驅(qū)動一個RGB LED。這種方法減少了元件數(shù)量，獲得高效、小巧且經(jīng)濟的設(shè)計。文中給出了電路板布局和測試結(jié)果。

引言
本應(yīng)用筆記提供了一個低功耗投影儀RGB LED驅(qū)動器的參考設(shè)計。基于單芯片MAX16821構(gòu)建大電流LED驅(qū)動器，能夠為一組降壓驅(qū)動的RGB LED提供高達10A的電流，通/斷時間小于1µs。某一時刻只驅(qū)動一個彩色LED，RGB按比例共用PWM周期。

LED驅(qū)動器技術(shù)指標
輸入電源電壓：10V至15V
LED驅(qū)動電流：10A
LED正向偏壓：4.5V至6V
LED電流上升/下降時間：< 1µs
LED電流紋波：10%峰峰值，最大值
輸入
VIN (J4)：電源輸入
PWMR、PWMB、PWMG (J8的引腳1、3和4)：RGB PWM輸入信號，幅值應(yīng)為3.3V至5V。當輸出的上升/下降時間保持在1µs以內(nèi)時，任何超出2µs的PWM周期均可使用。某一時刻只有上述三個信號之一為高電平。
PWMN (J8的引腳4)：PWMR、PWMG和PWMB進行邏輯NOR。只有所有三個PWM信號均為低電平時，PWMN為高電平。
ON/OFF (J1)：保持開路或驅(qū)動至+5V使能驅(qū)動器，連接至GND禁用電路板工作。
輸出
LEDR、LEDG、LEDB (J5、J6和J7)：10A RGB LED輸出。將LED+連接至引腳3、4和5；將LED-連接至引腳6、7和8。
OUTV (J2)：提供與LED電流成比例的信號，OUTV上的電壓為R12||R16電壓的135倍。
VIN_OUT (J3)：輸入電源電壓，用于連接至其它電路板。引腳1和2為VIN+；引腳3和4為GND。

圖1. LED驅(qū)動電路板(頂層)

圖2. LED驅(qū)動電路板(底層)

圖3. 由MAX16821構(gòu)成的LED驅(qū)動器原理圖。低功耗投影儀采用單芯片DLP處理RGB顏色。任何給定時間內(nèi)只點亮一種顏色的DLP。這種方法能夠采用一路大電流驅(qū)動器，配合幾個附加開關(guān)實現(xiàn)LED之間的切換，從而構(gòu)成緊湊、經(jīng)濟的投影儀設(shè)計。

本文提供的LED驅(qū)動器參考設(shè)計采用單個降壓轉(zhuǎn)換器依次為RGB LED提供10A電流驅(qū)動。MOSFETS Q8、Q9和Q10選擇并切換穩(wěn)定的電感電流，基于PWM信號為其中一個RGB LED提供驅(qū)動。

MAX16821B buck轉(zhuǎn)換器的核心電路工作在平均電流控制模式，將10V至15V輸入電源電壓降至4.5V至6V LED正向偏壓。buck轉(zhuǎn)換器的工作頻率通過外部接地電阻設(shè)置。MODE引腳連接至GND，選擇IC工作buck驅(qū)動器模式。轉(zhuǎn)換器開關(guān)工作頻率為300kHz，該設(shè)置使得器件優(yōu)化工作在以較小尺寸電感提供非常高的效率。

設(shè)計要求LED電流上升/下降時間小于1µs，為達到這一指標，必須選擇非常小的輸出濾波電容，從而增大了負載紋波電流。另外，如果選擇大于常規(guī)值的電感，電感紋波電流將保持在負載紋波電流以內(nèi)。輸出端通過1µF電容(C11)將輸出電流擺率限制在10A/µs，防止寄生元件造成任何過沖。

LED驅(qū)動器通過電感控制并維持10A電流，按照任意瞬間需要驅(qū)動的LED，分別導通Q8、Q9或Q10，將電感電流切換到對應(yīng)的LED。全部三個LED關(guān)閉時，電感電流通過Q4構(gòu)成本地回路。

MAX16821器件有兩個控制環(huán)路：內(nèi)部環(huán)路控制電感電流，外部環(huán)路確定驅(qū)動LED所需的電感電流。在降壓轉(zhuǎn)換器中，電感電流與LED電流相同。因此，控制電路被簡化為單個電感電流監(jiān)測環(huán)路。本設(shè)計中，為防止電感電流的次級諧波振蕩，R5將電流誤差放大器增益限制在11.5V/V。電流環(huán)路補償沒有零-極點對，從而增大了低頻增益，使電感電流準確穩(wěn)定在電壓環(huán)路的設(shè)置值。電壓誤差放大器將R11||R17兩端的LED檢流電壓與內(nèi)部100mV基準進行比較，并提供70dB誤差增益。經(jīng)過放大后的輸出驅(qū)動內(nèi)部電流環(huán)路。即使內(nèi)部電流環(huán)路增益較低，由于電壓誤差放大器的高增益也能夠使LED電流穩(wěn)定在10A。

電感電流在RGB LED和Q4形成的本地環(huán)路之間切換，電壓誤差放大器輸出需要4級不同電平。因為這4種條件下的輸出電壓不同，所以需要4個電平。4個不同的補償電容(C7、C10、C13和C14)用于存儲電壓誤差放大器輸出，分別對應(yīng)4種不同的負載條件。補償電容通過模擬開關(guān)(Q2、Q5、Q6和Q7)連接到電路，每次接通一路。一旦打開LED，對應(yīng)的補償電容即刻將誤差放大器輸出調(diào)節(jié)至上次存儲電壓，從而使LED電流很快上升至10A。

內(nèi)部電流環(huán)路吸收電感形成的極點，由LED動態(tài)阻抗和輸出電容C11構(gòu)成的輸出極點，所產(chǎn)生的極點頻率遠遠高于開關(guān)頻率。電壓環(huán)路只有一個極性，為電壓誤差放大器的極點。補償電容(C7、C10、C13和C14)在原點構(gòu)成一個極點，使電壓環(huán)路在1/10頻程通過0dB。

MAX15025雙通道MOSFET驅(qū)動器(U2、U3)驅(qū)動(Q2、Q5、Q6和Q7)，在LED負載之間快速切換，電流擺率高達10A/1µs。由C9和R10構(gòu)成的降損電路減緩了LX節(jié)點的開關(guān)邊沿，有助于抑制任何過沖/欠沖振鈴。如果輸出電壓超過6.4V，由R3和R4提供的過壓保護反饋將關(guān)斷U1。一旦輸出電壓降至5.4V以下，U1恢復開關(guān)操作。濾波電容C1防止由于噪聲引起的錯誤觸發(fā)。RC網(wǎng)絡(luò)提供從電源導通沿開始的3ms延遲，使U1在輸入電源穩(wěn)定后開始工作。

圖4. 示波器截圖顯示了其中一個LED (CH3)的電流；OUTV引腳(CH1)電壓代表電感電流的大?。籆LP引腳(CH2)上的電壓代表PWM占空比。電感電流在整個周期內(nèi)相同。藍光、綠光LED的PWM占空比幾乎相同，但紅光LED較小。在1µs內(nèi) LED電流上升并穩(wěn)定至最終值。

溫度測量：
VIN：12V
IOUT：10A至RGB LED，每種顏色為20% PWM
制冷：電路板被強制風冷
電路板溫度：+53°C
Q1、Q3外殼：+60°C
Q4、Q8、Q9和Q10外殼：+58°C
U1頂部：+53°C
L1線圈溫度：+70°C
上電步驟
將10A RGB LED連接至J5、J6和J7。
保持PWMR、PWMG、PWMB和PWMN信號為低電平。
將電源電壓逐漸增高至10V，觀察電流，電流應(yīng)小于0.3A。
施加PWM信號PWMR、PWMG和PWMB，PWM占空比為15%至20% (定位每個PWM脈沖，同時應(yīng)只有一個PWM信號為高電平)。PWMN信號應(yīng)為PWMR、PWMG和PWMB的數(shù)字或非。全部三個LED按照設(shè)定的占空比由10A電流交替驅(qū)動。