快速发展的 LED 照明应用正在取代几乎所有传统形式的照明应用. 随着这种转型的加速, LED 驱动器的功率需求也提高了, 如果不牺牲效率, 那么电流越大, 保持电流检测准确度就越难. LED 驱动器必须保持电流检测准确度, 同时快速向多个独立的 LED 负载提供电流, 并能够并联连接和准确均流.
有些高功率 LED 具有独特的机械和电气考虑, 其正极电连接至导热的后饰片. 在采用降压稳压器配置的传统 LED 驱动器中, 热管理是通过冷却底盘来实现的, 至后饰片的正极连接线会产生一个机电设计难题. 后饰片必须具有至散热器的良好导热性, 但也必须与之保持电隔离 (如果后饰片上的电压与底盘不同). 由于 LED 制造商改变生产工艺或封装是很困难的, 因此 LED 驱动器本身必须迎接该设计挑战.
一种选项是使用四开关正降压-升压型 LED 驱动器, 但是额外的开关 MOSFET 增加了系统复杂性和成本. 负输出降压-升压型拓扑仅采用一组开关功率 MOSFET, 且允许正极与散热器直接 (电) 连接, 从而免除了在散热器上增设电隔离器的需要, 并简化了系统的机械设计.
为了满足高性能要求, LT3744 可配置为同步降压型或负输出降压-升压型控制器, 以超过 20A 的连续电流驱动 LED 负载. LT3744 的电源输入可以接受 3.3V 至 36V 电压. 作为降压型转换器使用时, 该器件在 0V 直至电源电压范围内调节 LED 电流. 作为负输出降压-升压型转换器使用时, LT3744 可在 0V 直至 −20V 的输出电压范围内准确地调节 LED 电流.
在满标度范围内, 模拟电流调节准确度为 3%, 甚至在 1/20 标度时, 准确度也好于 ±30%. LT3744 有 3 个独立的模拟和数字控制输入以及 3 个补偿及栅极驱动输出, 适合多种 LED 配置. 通过分离电感器电流检测和 LED 电流检测, LT3744 可配置为降压型或负输出降压-升压型控制器. 为了便于系统设计, 所有输入信号都以电路板地 (SGND, 信号地) 为基准, 从而无需复杂的分立式电平转换器.
在负输出降压-升压型配置中, LED 的总体正向电压可以高于输入电源电压, 从而允许用低压电源驱动高压 LED 串. 当出于 PCB 功率密度考虑, 需要分散组件功耗时, LT3744 还可以方便地并联, 以驱动很大的 LED 脉冲负载电流或 DC 负载电流.
高准确度电流检测
LT3744 采用一个高准确度电流调节误差放大器, 可实现总电流控制范围的 1/20 之准确模拟调光. 在总体数字 PWM 调光范围有限的应用中, 或者在需要非常大的调光范围的应用中, 这个特点至关重要. 例如, 在 100Hz PWM 调光频率和 1MHz 开关频率时, LT3744 能够实现 1250:1 PWM 调光, 还可以与 20:1 模拟调光相结合, 以使总体调光范围扩大到 25000:1.
图 1 显示了当模拟控制输入为 0V 时, 随温度变化 LT3744 失调电压的生产一致性, 在这里, 典型器件数量为 380 个. 凭借误差放大器的低失调, 控制环路在 1/20 标度模拟调光时, 能够实现 ±10% 的典型准确度. 图 2 显示了当控制输入等于 1.5V 时, 稳定电压在多个 LED 电流检测引脚上的分布. 满标度范围的准确度好于 ±3%, 这相当于在 60mV 满标度调节电压时准确度为 ±1.8mV.
NUMBER OF UNITS: 器件数量380 TYPICAL UNITS: 典型情况为 380 个器件REGULATED VLED_ISP – VLED_ISN VOLTAGE: 稳定的 VLED_ISP – VLED_ISN 电压
无闪烁性能
衡量 LED 驱动器性能的最重要指标之一是 LED 电流在 PWM 调光时的恢复速度. 在 PWM 接通信号上升沿之后的头几个开关周期中, 驱动器的表现对最终产品的质量有很大影响. LT3744 采用专有 PWM, 补偿和时钟同步技术, 提供无闪烁性能, 甚至在驱动 LED 至 20A 电流时也是如此.
图 3 显示了用 12V 电源向红光 LED 提供 20A 电流时, 在 5 分钟时间内 LED 电流的恢复情况. 开关频率为 550kHz, 电感器为 1µH, PWM 调光频率为 100Hz, 接通时间为 10µs (1000:1 调光比). 图中显示了大约 3 万个调光周期, 在开关波形中无抖动, 每个恢复开关周期都是相同的.
10V/DIV: 每格 10V5-MINUTE PERSISTENCE: 持续 5 分钟
在 3 种不同稳定电流之间高速调光
在投影系统中, 让光源更快速地接通可以减少定时限制. 而定时限制减少, 又可以提高影像更新率, 从而可以提供分辨率更高的影像, 并减轻快速移动的白色物体之彩虹效应. LT3744 能够在不到 3 个开关中期中, 在不同的输出电流状态之间过渡.
LT3744 有 3 种稳定电流状态, 因此色彩混合系统设计师可以决定每个 LED 的色温. 通过色彩混合可以实现很高的色彩准确度, 以纠正 LED 色彩的不准确性, 消除生产系统导致的各种偏差. LT3743 有小电流和大电流两种状态, LT3744 有 3 种电流状态, 因此所有 3 种色彩 (RGB) 的 LED 都能够以它们各自的光输出相互混合, 以独立地矫正 LED 的色彩.
图 4 显示了一个 24V 输入 / 20A 输出单 LED 驱动器, 该驱动器提供 3 种不同的稳定电流, 这些电流由 CTRL 上的模拟电压和 PWM 引脚的数字状态决定. 请注意, 既然 RS 仅用于限制电感器峰值电流和提供绝对过流保护, 那么这个电阻器的准确度就不必很高, 这降低了系统成本.
20A MAXIMUM: 最大值为 20ABLUE: 蓝光
3 种不同电流状态之间的 PWM 调光如图 5 和图 6 所示. 在图 5 中, PWM 信号顺序接通和断开. PWM3 的优先级最高, PWM1 则最低. 这允许单一输入信号快速转换, 以改变输出电流. 如图 6 所示, PWM 输入信号之间可以有任意长短的时间间隔.
一款适用于微型投影仪或智能手机投影仪的完整 RGB LED 解决方案
在微型投影系统或智能手机投影系统中, 减少总体解决方案占用的空间及其成本非常重要. 在这类应用中, PCB 空间极其有限, 驱动器解决方案的总体积 (包括组件高度) 必须最小化. 仅用 1 个 LED 驱动器驱动所有 3 个 LED 可以显著减少所需空间, 从而允许使用较大的电池或功率较大的 LED, 以延长电池寿命和提高投影系统光通量.
LT3744 同时采用了开关输出电容器技术和浮置栅极驱动器, 用单个 LED 驱动器构成了一个完整的 RGB 解决方案. LT3744 为 PWM 输出引脚提供了独特的栅极驱动器. 该驱动器的负轨浮置在 VFNEG 引脚上, 可将所有处于断开状态的开关栅极拉低至负电压. 这确保与输出电容器串联的开关在任何条件下都不会接通. 这个驱动器允许任意 LED 串之间有 15V 压差.
每个 LED 都可以顺序接通, 相互之间有一定的时间延迟, 或者按照提供给 PWM 数字输入的任何模式接通. 此外, 凭借 3 个独立的模拟控制输入, 每个 LED 都能够以不同的稳定电流运行. 当 LT3744 配置为负输出降压-升压型转换器时, 单节锂离子电池仅用单个控制器就可以驱动 3 个独立的 LED 串. 图 7 显示了一个专门为 RGB 微型投影仪设计的 3.3V/5A 负输出, 3 色, 降压-升压型 LED 驱动器.
两个 LT3744 LED 驱动器并联以组成 324W 双 LED 驱动器
在任何大功率 / 大电流控制器设计中都有一个重要的限制因素, 那就是 PCB 的功率密度. PCB 功率密度限制到大约 50W/cm2, 以防止电源通路组件的温度上升得过高. 在极端情况下, 当一个 LED 负载需要的功率超过单个驱动器所能提供的限度时 (仍然保持在功率密度限制之内), 多个转换器可以并联以分担负载.
一个具备新式功率 MOSFET 的高效率大电流 LED 驱动器控制器可以提供大约 200W (解决方案尺寸大约为 4cm2), 并可将所有电源通路组件的温度限制到低于 80ºC. 就高于 200W 的 LED 负载而言, LT3744 可以并联, 以限制任何组件的温度上升. 所有补偿输出都应该并联, 以允许转换器之间的均流.
图 8 显示了一款 324W 转换器, 由两个ADI DC2339A 演示电路板并联组成. 在这款设计中, 每个并联的控制器都产生 27A 电流, 总共产生 54A 电流, 电压为 6V. 通过将相应的补偿输出连接到一起, 两个控制器协调一致地运行, 以提供平滑, 良好的启动和准确的 DC 调节.
图 9 显示了每个电路板的 LED 电流启动过程. 请注意, 在整个启动过程中, 每个电路板提供的稳定电流都是相同的. 图 10 显示, 在 DC 稳定且未进行 PWM 调光时, 两个应用电路板之间实现了出色的电流均分 (波形是直接在彼此的顶部). 图 11 显示, 在 100% 占空比时, 温度上升至比电路板环境温度高约 55ºC. 组件 L1 是电感器, Q1 和 Q3 是开关功率 FET, R5 是电感器电流检测电阻器, R32 是 LED 电流检测电阻器, U1 是 LT3744.
CHANNEL: 通道10ms/DIV: 每格 10ms
在这个应用中, 可以对两个独立的 LED 串在 54A 满电流时进行 PWM 调光. 进行 PWM 调光时, 图 12 显示, LED 电流在两个驱动器之间是完全地均分的. 在这个测试中, LED 电流从 0A 到 54A 的上升时间为 6.6µs. 从每个驱动器输出到 LED 的电气连接必须仔细平衡, 以避免在任一通路中增加电感, 这会缩短有效上升时间.
图 13 显示, LED 电流为 54A, 进行 50% PWM 调光时, 每个演示电路板的温度上升情况. 为了最大限度减小每个演示电路板到 LED 的电感, 并联 LED 驱动器电路板直接安装在彼此的顶部. 一种更加优化的布局是, 将两个驱动器安装在单个电路板上, 每个驱动器的布局相互成镜像, 跨它们与 LED 的共用连接反射. 无论何时, 只要是设计从 LED 驱动器到大电流 LED 的传导通路, 就应该密切注意总体电感. 既然电感是导线长度的函数, 那么导线越长, LED 中的电流恢复时间就越长, 无论驱动器速度有多快.
两个 LT3744 并联, 组成负输出降压-升压型 120W LED 驱动器
与非负输出转换器一样, 负输出降压-升压型应用也有同样的热量问题, 此外还增加了电感器电流增大的设计挑战. 就低输入电压和高 LED 电压而言, 电感器中的平均电流有可能非常大. 例如, 如果输入为 3.3V, 输出驱动一个绿光 LED, 该 LED 在 20A 时的正向电压为 6V, 那么电感器峰值电流为 70A. 此设计中所用电感器的饱和电流应该至少高出 20%, 那么本例中就应该高于 80A.
既然这一电流流经开关 MOSFET, 那么 MOSFET 的额定值就必须大于 80A. 通过并联两个 LT3744 负输出降压-升压型转换器, 峰值开关电流就减小了一半, 从而降低了对电源通路组件的要求.
在负输出降压-升压型拓扑中, 仅在同步 FET 导通时, 电感器电流才提供给负载. 如果允许两个并联转换器以其自由运行频率运作, 那么在 LED 电流纹波中会有明显的拍频, 这是由开关频率的轻微差别导致的. 为了避免这个问题, 每个转换器都采用电阻值相同的 RT, 但是这些转换器都用一个外部时钟同步. 在图 14 所示应用中, 转换器设计为以 300kHz 非同步频率运行, 同步时钟为 350kHz.
图 15 显示, 向并联负输出降压-升压型应用中的 LED 提供 30A 电流时, 组件温度的上升情况.
结论
LT3744 的特点包括很高的电流调节准确度, 浮置 PWM 栅极驱动器和输入信号电平转换, 可以在多种应用中用来驱动 LED. LT3744 能够用作 RGB 投影系统中的单个驱动器, 从而显著减小总体解决方案所需占用的空间, 这就有可能用智能手机实现光输出很大的视频投影.
通过运用 3 种电流调节状态, LT3744 使系统设计师能够自由决定 LED 色彩, 从而产生色彩更加准确的视频影像. 通过直接调节 LED 电流和对所有信号进行电平转换, LT3744 能够产生负电压, 从而允许凭借简单的双开关解决方案, 用低压电池供电系统驱动多个 LED 串. LT3744 可以非常简便地并联, 以向 LED 高效率提供极大的电流, 同时保持电流准确度和电流均分, 甚至在 PWM 调光时也是如此. 并联 LT3744 降低了电路板温度和电感器电流, 并将所支持的 LED 功率提高到数百瓦.