采用2 MHz單芯片降壓-升壓DC-DC轉換器和LED驅動器消除PCB空間受限的困擾

簡介

隨著電子設備尺寸不斷縮小，它們的內部電路必須同步縮小。產品小型化成為各行各業(yè)的顯著發(fā)展趨勢，這為工程師在空間受限的設計中完成合適的解決方案帶來了新的設計難題。

為了滿足緊湊型電子設備日益嚴格的尺寸要求，集成電路(IC)設計人員將外部元件集成到器件內部，以最大程度地減少外部元件數量。在構建所有電子設備所需的各種電路中，縮小DC-DC轉換器的尺寸同樣極具挑戰(zhàn)性，因為它們無處不在(所有設備都需要電源)，電源設計人員通常會面臨這樣一個現(xiàn)實，即縮小解決方案尺寸往往會對性能產生負面影響。

例如，能顯著節(jié)省PCB面積的一種方法是采用單芯片DC-DC轉換器，該轉換器將經過精心選擇的電源開關器件集成到IC封裝之中，從而使所需外部元件減少為少量的無源器件。在許多情況下，與外部電源開關控制器設計相比，緊湊型設計最終會帶來不需要的結果，即在更小的空間中增加了功率損耗，從而產生更高的溫升。為了避免產生的熱量水平造成困擾，選擇合適的單片式DC-DC轉換器對于設計緊湊高效的電源系統(tǒng)至關重要。

2 MHz單芯片4開關降壓-升壓DC-DC轉換器和LED驅動器

LT3942是ADI公司非常通用的單芯片降壓-升壓穩(wěn)壓器IC之一。該升壓-降壓轉換器能夠應對在創(chuàng)建靈活緊湊的DC-DC轉換器解決方案的同時不會犧牲性能的挑戰(zhàn)。LT3942將四個40 V/2 A電源開關、兩個柵極驅動器自舉二極管及其所有的控制和驅動器電路集成到一個4 mm × 5 mm小型QFN封裝中。由于具有高達2 MHz工作開關頻率能力，因此可以最大程度地減小外部元件的尺寸，節(jié)省PCB空間，同時為各種DC-DC轉換器提供了高帶寬工作性能。

圖1.這款基于LT3942的演示電路(DC2404A)展示了一種高性能、緊湊型DC-DC穩(wěn)壓器解決方案，專門用來在這種情況下驅動LED。

LT3942具有與LT8390A/LT8391A系列降壓-升壓控制器IC相同的峰值電流模式控制方案，并且能夠在2開關升壓、4開關降壓-升壓(升壓-降壓)和2開關降壓工作模式之間無縫轉換。轉換器監(jiān)測并比較其輸入和輸出電壓，以確定正確的工作模式。當PVIN:PVOUT的比率發(fā)生變化并迫使轉換器轉換模式時，LT3942保持穩(wěn)壓作用，同時可以在開關對之間智能切換控制。

除了通過多種PVIN:PVOUT組合來調節(jié)輸出電壓之外，LT3942還可以配置為調節(jié)輸入或輸出電流，以用于恒定電流調節(jié)應用。來自ISMON引腳的電流監(jiān)控反饋提供了一個與實測電流成比例的緩沖電壓輸出，從而允許連接的電路監(jiān)控實測的電流水平。這種調節(jié)電流或電壓的能力使LT3942非常適合用作LED驅動器、緊湊型電池充電器、微型太陽能電池板供電的轉換器或通用穩(wěn)壓器。

14 V、1 A LED驅動器

圖1顯示了基于LT3942的緊湊型LED驅動器的完整評估電路。該解決方案能夠為四個(最高14 V)串聯(lián)的一串白光LED提供1 A電流。最大功率輸出的輸入電壓范圍為7 V至36 V，低工作電流時可降至4 V，非常適合未穩(wěn)壓的汽車輸入電源。該解決方案中的LT3942的工作開關頻率為2 MHz，因此可以使用相對較小的電感和電容。所以完整的LED驅動器解決方案適合15 mm × 15mm 的PCB尺寸，所有元件都位于電路板的同一面(包括IC)。

該解決方案還具有高帶寬工作性能，可以快速調節(jié)輸出電流。當在降壓模式下工作時，LT3942使用外部PWM源對LED進行100 Hz無閃爍調光，從而實現(xiàn)高達5000:1的調光比。

如果沒有外部PWM源，也可以使用其內部PWM調光功能實現(xiàn)LT3942調光。內部調光提供高達128:1的調光功能，無需任何外部PWM信號源，僅需一個電阻即可設置調光頻率，以及一個直流電壓來控制輸出電流的占空比。與大多數Power by Linear?的LED驅動器一樣，LT3942還具有模擬調光功能，通過在CTRL引腳上施加直流電壓可提供高達20:1的模擬調光?？梢詫⒛M和PWM調光組合使用，以實現(xiàn)比單獨使用任何一種方法更高的有效調光比。

圖2.DC2404A利用LT3942創(chuàng)建了一個緊湊型14 W LED驅動器應用，可在寬輸入范圍提供穩(wěn)定的輸出電流。

圖3.LT3942的高帶寬工作性能有助于LED照明應用在寬動態(tài)亮度范圍內實現(xiàn)高比率PWM調光。無需EMI濾波器，DC2404A在120 Hz時可實現(xiàn)高達4000:1的調光，而在100 Hz時則可實現(xiàn)高達5000:1的調光。

展頻用于降低EMI峰值

為了幫助創(chuàng)建一個低噪聲DC-DC轉換器系統(tǒng)，LT3942內置一個可選展頻(SSFM)功能。SSFM一旦啟用，會在由RT電阻設置的值至高達25%的額外開關頻率之間掃描開關頻率。該掃描動作可以在寬頻譜范圍內分散由開關引起的輻射，而不是將這些輻射集中在窄帶中，從而降低整體的EMI峰值。SSFM與輸入和輸出EMI濾波器結合使用時，有助于降低寬頻率范圍內的EMI，從而更易于設計符合輻射標準的系統(tǒng)。

12 V、1 A穩(wěn)壓器

LT3942不只限于驅動LED。它是一款功能強大的緊湊型穩(wěn)壓器，非常適合解決從寬范圍未穩(wěn)壓電源產生穩(wěn)定輸出的問題。圖4中所示的12 V、1 A穩(wěn)壓器設計與圖2中的14 W LED驅動器解決方案相似，但做了一些小改動。與LED驅動器應用一樣，穩(wěn)壓器可以在很寬的輸入電壓范圍內維持輸出調節(jié)，可在電壓低至7 V的條件下提供全輸出功率，并在電壓低至4 V的條件下維持低輸出功率工作。

圖4中的效率曲線表明，即使工作開關頻率為2 MHz時，LT3942 12 V穩(wěn)壓器也具有接近95%的出色峰值效率，而在其大多數輸入電壓范圍內的效率為85%或更高。即使以其總輸出功率的十分之一為其輸出供電，也可保持80%以上的效率，這表明該器件在輕負載條件下仍可高效運行。

LT3942的電流檢測和控制特性使其不僅適合于LED調光控制，而且也能在需要電壓調節(jié)和電流控制的其他情況下出色地工作。將檢測電阻配置在輸出端時，可以很輕松地將LT3942配置用作緊湊型恒流、恒壓電池充電器。對于具有嚴格輸入電流限制的應用，例如由小型電池、電容組或光伏電池供電的電路，可以將監(jiān)測電阻移至穩(wěn)壓器的輸入側，從而為系統(tǒng)提供輸入電流限制和監(jiān)控。LT3942可從CC模式無縫轉換為CV模式(反之亦然)，確保輸入和/或輸出始終穩(wěn)定。

圖4.配置為12 W穩(wěn)壓器的LT3942在寬輸入范圍內具有出色的電壓調節(jié)和負載效率特性。

汽車順序點亮轉向信號和裝飾性照明

在新型豪車和高性能汽車上常見的動畫式順序點亮轉向信號燈正在迅速普及，逐步取代傳統(tǒng)的閃爍式指示燈。早期的順序點亮轉向信號的實現(xiàn)采用多個降壓轉換器或線性穩(wěn)壓器為轉向信號燈組中的LED供電，導致解決方案復雜、相對低效且過于龐大，極大地限制了照明設計的應用領域。減少所需功率IC的數量，使用單個高效器件，是擴大照明設計人員選擇范圍的明顯方式。

單個轉換器解決方案需要的器件能夠對各種LED組合(照明設計中會出現(xiàn)從所有LED點亮到單個LED點亮，以及介于前兩者之間的各種其他組合)的串電壓維持輸出調節(jié)。隨著動畫燈在連接的LED的各種配置中變化時，輸入電壓會高于、低于或等于輸出電壓。這種類型的應用需要一個升壓-降壓轉換器，該轉換器可以智能地選擇工作模式并在工作模式之間無縫轉換，同時維持輸出調節(jié)。LT3942的降壓-升壓拓撲和高帶寬工作性能使它能夠輕松操縱這些變化而不會出現(xiàn)毛刺。

圖5所示的順序點亮轉向信號設計采用LT3942從汽車電池以330 mA電流為八個LED供電，并可選擇為一串琥珀色LED(用于轉向信號燈操作)、一串白色LED(用于日間行車燈)或其他裝飾性照明(用于前燈/尾燈設計中)供電。

圖5.在順序點亮轉向信號應用中，每次點亮一個LED，從而迫使DC-DC轉換器迅速適應新的PVIN：PVOUT組合。這對LT3942來說不是問題，因為它可在順序點亮轉向模式期間從升壓、降壓-升壓、降壓工作模式無縫轉換，從而確保在各種模式下維持穩(wěn)定的LED電流。

微控制器充當用戶輸入的轉向信號與照明系統(tǒng)之間的接口。這使照明設計人員(或最終用戶，如果需要的話)能夠完全控制執(zhí)行LED動畫順序點亮所需的所有時序和信號，并且可以控制在任何給定時間為哪種顏色的LED燈串供電。

在此設計中，在順序點亮模式期間，每次向燈串導入一個轉向信號LED，以產生轉向信號。當LED由微控制器添加到燈串時，LT3942維持對輸出電流的調節(jié)，以保持一致的光亮度。在所有LED都點亮之后，LT3942停止開關操作，并拉低輸出電壓，使轉換器設置為下一個順序點亮周期做好準備。當轉向信號未使用時，微控制器重新連至裝飾照明LED串，并繼續(xù)等待轉向信號用戶輸入，這將兩種照明功能組合到一個LED驅動器解決方案中。

小結

電子設備迫使工程師不斷尋求更小的集成器件，以滿足日益增長的空間受限需求。LT3942單芯片降壓-升壓轉換器和LED驅動器集成了眾多可節(jié)省空間的特性，以解決空間受限的電氣設計難題，同時不會犧牲性能。其單芯片設計和2 MHz的工作開關頻率縮小了解決方案的尺寸，使其能夠適用于緊湊的PCB設計中。該器件具有高度靈活性，既可以用作恒流調節(jié)器，也可以用作恒壓調節(jié)器，適合各式各樣的應用。

對于需要低噪聲電源以滿足嚴格EMI要求的設計，LT3942的SSFM功能有助于降低傳導發(fā)射和電磁輻射騷擾，其便捷的IC封裝引腳排列可實現(xiàn)緊湊的開關熱環(huán)路。這些特性以及寬輸入范圍，可在設計人員面臨緊湊型電源需求時，簡化他們的工作。