大電流/高速 LED 驅(qū)動(dòng)器給 PWM 調(diào)光帶來(lái)了突破性的改革
[導(dǎo)讀]引言 從 DLP 投影機(jī)中的大電流 LED 到大功率激光二極管，在很多照明應(yīng)用中，都采用了能產(chǎn)生穩(wěn)定的大電流脈沖功率驅(qū)動(dòng)器，例如：在高端視頻投影機(jī)中，大功率 LED 用來(lái)產(chǎn)生彩色照明。在這類(lèi)投影機(jī)中，RGB LED 需要精確
引言
從 DLP 投影機(jī)中的大電流 LED 到大功率激光二極管，在很多照明應(yīng)用中，都采用了能產(chǎn)生穩(wěn)定的大電流脈沖功率驅(qū)動(dòng)器，例如：在高端視頻投影機(jī)中，大功率 LED 用來(lái)產(chǎn)生彩色照明。在這類(lèi)投影機(jī)中，RGB LED 需要精確的調(diào)光控制，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的色彩混合，在這種情況下，可能需要提供比簡(jiǎn)單的 PWM 調(diào)光更強(qiáng)的控制能力。一般情況下，為了實(shí)現(xiàn)色彩混合所需要的寬動(dòng)態(tài)范圍，LED 驅(qū)動(dòng)器必須能在兩種完全不同的穩(wěn)定峰值電流狀態(tài)之間快速切換，并同時(shí)進(jìn)行 PWM 調(diào)光，而且不會(huì)造成任何問(wèn)題。LT3743 能滿(mǎn)足這些苛刻的準(zhǔn)確度和速度要求。
LT3743 是一種同步降壓型 DC/DC 控制器，它采用固定頻率、平均電流模式控制方式，通過(guò)一個(gè)與電感器串聯(lián)的檢測(cè)電阻器準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)電感器電流。在 0V 至(VIN – 2V) 的輸出電壓范圍內(nèi)，LT3743 以 ±6% 的準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)任何負(fù)載的電流。
通過(guò)將準(zhǔn)確的模擬調(diào)光 (高和低狀態(tài)) 和 PWM 調(diào)光相結(jié)合，LT3743 實(shí)現(xiàn)了精確、寬范圍的 LED 電流控制。模擬調(diào)光通過(guò) CTRL_L、CTRL_H 和 CTRL_T 引腳控制；PWM 調(diào)光則通過(guò) PWM 和 CTRL_SEL 引腳控制。LT3743 獨(dú)特地采用了外部開(kāi)關(guān)型負(fù)載電容器，因此能實(shí)現(xiàn)高和低模擬狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，從而允許 LT3743 在幾微秒的時(shí)間內(nèi)改變穩(wěn)定的 LED 電流值。開(kāi)關(guān)頻率可以利用一個(gè)外部電阻器在 200kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)設(shè)定，而且可同步至一個(gè) 300kHz 至 1MHz 的外部時(shí)鐘。
圖 1：基本的開(kāi)關(guān)型電容器拓?fù)?/span>
開(kāi)關(guān)型輸出電容器拓?fù)?/b>
在傳統(tǒng)的穩(wěn)流器中，負(fù)載兩端的電壓存儲(chǔ)在輸出電容器中。如果負(fù)載電流突然變化，那么輸出電容器中的電壓必須充電或放電，以匹配新的穩(wěn)定電流。轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)負(fù)載中的電流控制欠佳，從而導(dǎo)致了緩慢的負(fù)載電流響應(yīng)時(shí)間。
LT3743用一種獨(dú)特的開(kāi)關(guān)型輸出電容器拓?fù)浣鉀Q了這個(gè)問(wèn)題，該拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了超快的負(fù)載電流上升和下降時(shí)間。這種拓?fù)涞幕纠砟钍?，LT3743 充當(dāng)穩(wěn)定電流源，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。就給定電流而言，負(fù)載兩端的壓降存儲(chǔ)在第一個(gè)開(kāi)關(guān)型輸出電容器中。當(dāng)需要不同的穩(wěn)定電流狀態(tài)時(shí)，第一個(gè)輸出電容器就關(guān)斷，而第二個(gè)電容器則接通。這使每個(gè)電容器都能存儲(chǔ)與想要的穩(wěn)定電流相對(duì)應(yīng)的負(fù)載壓降。
圖 1 顯示了具有各種控制引腳的基本拓?fù)?。PWM 和 CTRL_SEL 引腳是數(shù)字控制引腳，決定穩(wěn)定電流的狀態(tài)。CTRL_H 和 CTRL_L 引腳是模擬輸入，具有 0V 至 1.5V 的滿(mǎn)標(biāo)度范圍，可在電流檢測(cè)電阻器兩端產(chǎn)生 0mV 至 50mV 的穩(wěn)定電壓。
圖 2：LED 電流 PWM 和 CTRL_SEL 調(diào)光
圖 3：采用開(kāi)關(guān)型輸出電容器的[!--empirenews.page--] 24V、20A LED 驅(qū)動(dòng)器
圖 2 示顯示了對(duì)應(yīng)于各種不同的 PWM 和 CTRL_SEL 引腳狀態(tài)的時(shí)序波形。當(dāng) PWM 為低電平時(shí)，所有切換都終止，兩個(gè)輸出電容器都與負(fù)載斷接。
盡管 LT3743 可以配置為采用開(kāi)關(guān)型輸出電容器，但它適用于任何傳統(tǒng)的模擬和/或 PWM 調(diào)光電路。
開(kāi)關(guān)周期同步
LT3743 將所有切換邊沿同步至 PWM 和 CTRL_SEL 的上升沿。就周期性或非周期性 PWM 調(diào)光脈沖而言，同步使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能自由地使用不同的脈沖寬度和占空比。就大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器而言，在從零電流或小電流狀態(tài)恢復(fù)至大電流狀態(tài)時(shí)，這是一種必不可少的特色。無(wú)論何時(shí)，只要 CTRL_SEL 或 PWM 信號(hào)變高，就重新啟動(dòng)時(shí)鐘，這樣電感器電流就會(huì)立即開(kāi)始斜坡上升，而不必等待時(shí)鐘的上升沿。沒(méi)有同步時(shí)，時(shí)鐘脈沖沿和 PWM 脈沖沿的相位關(guān)系是不受控制的，有可能在 LED 光輸出中引起可見(jiàn)抖動(dòng)。當(dāng)在 SYNC 引腳應(yīng)用一個(gè)外部時(shí)鐘時(shí)，開(kāi)關(guān)周期在 8 個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)重新同步至該外部時(shí)鐘。
一款采用開(kāi)關(guān)型輸出電容器、面向高端 DLP 投影機(jī)的 24V、20A LED 驅(qū)動(dòng)器
高端 DLP 投影機(jī)要求最高質(zhì)量的圖像和彩色重現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)高的彩色準(zhǔn)確度，各個(gè) LED 的彩色偏差都要通過(guò)與其他兩種彩色 LED 色彩的混合來(lái)校正。例如：當(dāng)紅光 LED 處于滿(mǎn)電流導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，藍(lán)光和綠光 LED 以低電流值接通，這樣它們的色彩就可以混合，以產(chǎn)生準(zhǔn)確的紅光。這種方法要求能在相對(duì)較低 (約 2A) 和相對(duì)較高 (約 20A) 的 LED 電流之間快速轉(zhuǎn)換，以保持 PWM 調(diào)光脈沖沿。圖 3 顯示了一款專(zhuān)供高端 DLP 投影機(jī)使用的 24V/20A LED 驅(qū)動(dòng)器。
相對(duì)較低的 450kHz 開(kāi)關(guān)頻率允許使用非常小的 1.0uH 電感器。在 25% 紋波電流時(shí)，大電流狀態(tài)和小電流狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為 2us。1mF 的大輸出電容器存儲(chǔ)了兩種不同電流狀態(tài)下 LED 兩端的壓降，并在 MOSFET 調(diào)光開(kāi)關(guān)接通時(shí)，提供瞬時(shí)電流。就實(shí)現(xiàn)快速 LED 電流轉(zhuǎn)換而言，采用幾個(gè)并聯(lián)的低 ESR 電容器是至關(guān)重要的。
圖 4：0A[!--empirenews.page--] 至 2A 至 20A 的 LED 電流階躍
圖 5：采用綠光 LED 時(shí)，12V、20A PWM 調(diào)光的效率
圖 6：具限流并聯(lián)輸出的 6V 至 36V 輸入、2A LED 驅(qū)動(dòng)器
圖 7：0A 至 2A 限流并聯(lián)輸出 PWM 調(diào)光[!--empirenews.page--]
穩(wěn)定的大電流和小電流由 VREF 引腳與 CTRL_L 和 CTRL_H 引腳之間的分壓器設(shè)定。VREF 引腳上的 ±2%、2V 基準(zhǔn)還用來(lái)向連接到 CTRL_T 引腳的過(guò)熱減額電路 (參見(jiàn)后面“過(guò)熱時(shí)降低 LED 電流”一節(jié)) 提供基準(zhǔn)信號(hào)。
為了減小可能較大的啟動(dòng)電流，LT3473 運(yùn)用了一種獨(dú)特的軟起動(dòng)電路，以節(jié)制穩(wěn)定電流，從而在軟起動(dòng)引腳充電至 1.5V 時(shí)，提供全驅(qū)動(dòng)。為了最大限度地縮短不同電流值轉(zhuǎn)換的時(shí)間，LT3743 對(duì)每種電流值都提供了單獨(dú)的補(bǔ)償，這樣電流控制環(huán)路就可以盡快回復(fù)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。圖 4 顯示了從 0A 至 2A 至 20A 的 LED 電流階躍。
在寬 PWM 占空比范圍內(nèi)提供高效率
在便攜式 DLP 投影機(jī)中，功耗是一個(gè)至關(guān)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。與目前市場(chǎng)上很多并聯(lián)型大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器不同，LT3743 在很寬的 PWM 占空比范圍內(nèi)具有非常高的效率。通過(guò)僅向負(fù)載提供功率，而不是將功率分流或給輸出電容器充電，常見(jiàn)的傳統(tǒng) PWM 調(diào)光驅(qū)動(dòng)器中損失的大多數(shù)能量都能節(jié)省下來(lái)。圖 5 顯示以 0A 至 20A 的電流在整個(gè)占空比范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)一個(gè)綠光 LED 和 VIN = 12V 時(shí)的效率。
圖8：具開(kāi)關(guān)型陰極 PWM 調(diào)光的 6V 至 30V 輸入、20A LED 驅(qū)動(dòng)器
停機(jī)和準(zhǔn)確啟動(dòng)
當(dāng)提供大的負(fù)載電流時(shí)，正確工作所需的電源欠壓閉鎖 (UVLO) 遲滯量在很大程度上取決于電路板布局。為了實(shí)現(xiàn)最大的靈活性，LT3743 納入了一個(gè)具 5.5uA 電流源的準(zhǔn)確啟動(dòng)門(mén)限，當(dāng) EN/UVLO 引腳電壓低于 1.55V 時(shí)，該電流源的電流流入該引腳。利用一個(gè)接在輸入電源和地之間的分壓器，可給系統(tǒng)增加任意遲滯量。為了在便攜式應(yīng)用中節(jié)能，當(dāng) EN/UVLO 引腳電壓低于 0.5V 時(shí)，LT3743 將徹底停用，且電源電流降至低于 1uA。[!--empirenews.page--]
過(guò)熱時(shí)降低 LED 電流
在大電流負(fù)載情況下，要保護(hù)昂貴的大電流 LED 并防止在整個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)造成損壞，恰當(dāng)?shù)臒崃抗芾硎侵陵P(guān)重要的。在大和小控制電流情況下，LT3743 都用 CTRL_T 引腳來(lái)降低負(fù)載中有效的穩(wěn)定電流。當(dāng) CTRL_T 引腳電壓低于 CTRL_L 或 CTRL_H 引腳上的控制電壓時(shí)，穩(wěn)定電流將減小。過(guò)熱減額用連接在 VREF 引腳和地之間隨溫度而變化的電阻分壓器來(lái)設(shè)定。
輸出電壓保護(hù)
要防止損壞昂貴的投影機(jī) LED， 輸出電壓保護(hù)很重要。LT3743 通過(guò) FB 引腳為輸出提供一個(gè)穩(wěn)定電壓點(diǎn)。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，LT3743 采用了一個(gè)內(nèi)部 1V 基準(zhǔn)，從而在 FB 引腳電壓達(dá)到 900mV 時(shí)，緩慢降低穩(wěn)定電流。
強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器
為了提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，并降低大電流功率 MOSFET 中的開(kāi)關(guān)損耗，LT3743 采用了非常強(qiáng)大的開(kāi)關(guān) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。LG 和 HG PMOS 上拉驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通電阻通常為 2.5Ω。LG 和 HG NMOS 下拉驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通電阻一般低于 1.3Ω。因?yàn)閷?dǎo)通電阻非常低，所以?xún)蓚€(gè)大電流 MOSFET 可以并聯(lián)起來(lái)，用在超過(guò) 20A 的應(yīng)用中。目前市場(chǎng)上大多數(shù) LED 驅(qū)動(dòng)器都沒(méi)有為調(diào)光 MOSFET 提供足夠的柵極驅(qū)動(dòng)能力，因而需要一個(gè)額外的外部柵極驅(qū)動(dòng)器。LT3743 在 PWMGL 和 PWMGH 驅(qū)動(dòng)器中集成了這種驅(qū)動(dòng)器，并具有 2Ω 的典型 NMOS 下拉電阻和 3.7Ω 的典型 PMOS 上拉電阻，以驅(qū)動(dòng)任何 5V 調(diào)光 MOSFET。
傳統(tǒng)的 PWM 調(diào)光
LT3743 適用于任何傳統(tǒng)的 PWM 調(diào)光方法。同類(lèi) LED 驅(qū)動(dòng)器采用的并聯(lián)型輸出調(diào)光浪費(fèi)能量，且在 LED 占空比低于約 50% 時(shí)效率不佳。由于 LT3743 有兩個(gè)穩(wěn)定電流值，因此當(dāng)使用分路器時(shí)，穩(wěn)定電流可降至零。這使得即使在低 LED 占空比時(shí)，也能提供非常高的效率。
圖 6 顯示了一個(gè)配置為限流并聯(lián)輸出的 2A LED 驅(qū)動(dòng)器。請(qǐng)注意：CTRL_L 引腳接地，PWMGL 引腳用來(lái)驅(qū)動(dòng)并聯(lián) MOSFET，而CTRL_SEL 引腳用于調(diào)光。由于 CTRL_L 引腳接地，因此當(dāng) CTRL_SEL 引腳為低電平時(shí)，使用分路器，而且電感器中的電流穩(wěn)定于 0A。當(dāng) CTRL_SEL 引腳為高電平時(shí)，并聯(lián) MOSFET 關(guān)斷，且穩(wěn)定電流由 CTRL_H 引腳上的電壓決定。圖 7 顯示了采用 12V 輸入的限流并聯(lián)型 PWM 調(diào)光。
圖 9：0A 至 20A [!--empirenews.page--]開(kāi)關(guān)型陰極 PWM 調(diào)光
除了分路器配置，LT3743 還可配置為驅(qū)動(dòng)與 LED 陰極串聯(lián)的調(diào)光 MOSFET。當(dāng)不需要多種電流狀態(tài)時(shí)，這是首選的 PWM 調(diào)光方法。圖 8 說(shuō)明了具開(kāi)關(guān)型陰極 PWM 調(diào)光的 6V 至 30V、20A LED 驅(qū)動(dòng)器。圖 9 顯示了具 0A 至 20A 電流階躍和 100:1 調(diào)光比的開(kāi)關(guān)型陰極 PWM 調(diào)光。
結(jié)論
LT3743 產(chǎn)生超快的大電流 LED 上升時(shí)間，同時(shí)提供準(zhǔn)確的電流調(diào)節(jié)。該器件能支持多種電流狀態(tài)，通過(guò)允許 LED 色彩非常容易地混合，可滿(mǎn)足用于劇院的高性能 DLP 投影機(jī)的需求。除了速度快，LT3743 的開(kāi)關(guān)型電容器拓?fù)溥€允許使用緊湊和低值電感器，從而減小了所占用的電路板面積。其他特點(diǎn)包括開(kāi)關(guān)周期同步、過(guò)壓保護(hù)、高效率和非常容易地適應(yīng)各種不同的應(yīng)用需求。
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