基于單片機(jī)的低功耗投影儀的RGB LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

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

引言
本應(yīng)用筆記提供了一個(gè)低功耗投影儀RGB LED驅(qū)動(dòng)器的參考設(shè)計(jì)?；趩涡酒琈AX16821構(gòu)建大電流LED驅(qū)動(dòng)器，能夠?yàn)橐唤M降壓驅(qū)動(dòng)的RGB LED提供高達(dá)10A的電流，通/斷時(shí)間小于1µs。某一時(shí)刻只驅(qū)動(dòng)一個(gè)彩色LED，RGB按比例共用PWM周期。

LED驅(qū)動(dòng)器技術(shù)指標(biāo)
輸入電源電壓：10V至15V
LED驅(qū)動(dòng)電流：10A
LED正向偏壓：4.5V至6V
LED電流上升/下降時(shí)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(hào)，幅值應(yīng)為3.3V至5V。當(dāng)輸出的上升/下降時(shí)間保持在1µs以內(nèi)時(shí)，任何超出2µs的PWM周期均可使用。某一時(shí)刻只有上述三個(gè)信號(hào)之一為高電平。
PWMN (J8的引腳4)：PWMR、PWMG和PWMB進(jìn)行邏輯NOR。只有所有三個(gè)PWM信號(hào)均為低電平時(shí)，PWMN為高電平。
ON/OFF (J1)：保持開(kāi)路或驅(qū)動(dòng)至+5V使能驅(qū)動(dòng)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(hào)，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(dòng)電路板(頂層)

圖2. LED驅(qū)動(dòng)電路板(底層)

圖3. 由MAX16821構(gòu)成的LED驅(qū)動(dòng)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(shí)間內(nèi)只點(diǎn)亮一種顏色的DLP。這種方法能夠采用一路大電流驅(qū)動(dòng)器，配合幾個(gè)附加開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)LED之間的切換，從而構(gòu)成緊湊、經(jīng)濟(jì)的投影儀設(shè)計(jì)。

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

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(guò)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(dòng)器模式。轉(zhuǎn)換器開(kāi)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(jì)要求LED電流上升/下降時(shí)間小于1µs，為達(dá)到這一指標(biāo)，必須選擇非常小的輸出濾波電容，從而增大了負(fù)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(fù)載紋波電流以內(nèi)。輸出端通過(guò)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(guò)沖。

LED驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電感控制并維持10A電流，按照任意瞬間需要驅(qū)動(dòng)的LED，分別導(dǎo)通Q8、Q9或Q10，將電感電流切換到對(duì)應(yīng)的LED。全部三個(gè)LED關(guān)閉時(shí)，電感電流通過(guò)Q4構(gòu)成本地回路。

MAX16821器件有兩個(gè)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(dòng)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(jiǎn)化為單個(gè)電感電流監(jiān)測(cè)環(huán)路。本設(shè)計(jì)中，為防止電感電流的次級(jí)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(bǔ)償沒(méi)有零-極點(diǎn)對(duì)，從而增大了低頻增益，使電感電流準(zhǔn)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(zhǔn)進(jìn)行比較，并提供70dB誤差增益。經(jīng)過(guò)放大后的輸出驅(qū)動(dòng)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(jí)不同電平。因?yàn)檫@4種條件下的輸出電壓不同，所以需要4個(gè)電平。4個(gè)不同的補(bǔ)償電容(C7、C10、C13和C14)用于存儲(chǔ)電壓誤差放大器輸出，分別對(duì)應(yīng)4種不同的負(fù)載條件。補(bǔ)償電容通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)(Q2、Q5、Q6和Q7)連接到電路，每次接通一路。一旦打開(kāi)LED，對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電容即刻將誤差放大器輸出調(diào)節(jié)至上次存儲(chǔ)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(diǎn)，由LED動(dòng)態(tài)阻抗和輸出電容C11構(gòu)成的輸出極點(diǎn)，所產(chǎn)生的極點(diǎn)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于開(kāi)關(guān)頻率。電壓環(huán)路只有一個(gè)極性，為電壓誤差放大器的極點(diǎn)。補(bǔ)償電容(C7、C10、C13和C14)在原點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)極點(diǎn)，使電壓環(huán)路在1/10頻程通過(guò)0dB。

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

圖4. 示波器截圖顯示了其中一個(gè)LED (CH3)的電流；OUTV引腳(CH1)電壓代表電感電流的大小；CLP引腳(CH2)上的電壓代表PWM占空比。電感電流在整個(gè)周期內(nèi)相同。藍(lán)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(cè)量：
VIN：12V
IOUT：10A至RGB LED，每種顏色為20% PWM
制冷：電路板被強(qiáng)制風(fēng)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(hào)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(hào)PWMR、PWMG和PWMB，PWM占空比為15%至20% (定位每個(gè)PWM脈沖，同時(shí)應(yīng)只有一個(gè)PWM信號(hào)為高電平)。PWMN信號(hào)應(yīng)為PWMR、PWMG和PWMB的數(shù)字或非。全部三個(gè)LED按照設(shè)定的占空比由10A電流交替驅(qū)動(dòng)。