快速發展的 LED 照明應用正在取代幾乎所有傳統形式的照明應用. 隨著這種轉型的加速, LED 驅動器的功率需求也提高了, 如果不犧牲效率, 那麼電流越大, 保持電流檢測準確度就越難. LED 驅動器必須保持電流檢測準確度, 同時快速向多個獨立的 LED 負載提供電流, 並能夠並聯連接和準確均流.
有些高功率 LED 具有獨特的機械和電氣考慮, 其正極電連接至導熱的後飾片. 在採用降壓穩壓器配置的傳統 LED 驅動器中, 熱管理是通過冷卻底盤來實現的, 至後飾片的正極連接線會產生一個機電設計難題. 後飾片必須具有至散熱器的良好導熱性, 但也必須與之保持電隔離 (如果後飾片上的電壓與底盤不同). 由於 LED 製造商改變生產工藝或封裝是很困難的, 因此 LED 驅動器本身必須迎接該設計挑戰.
一種選項是使用四開關正降壓-升壓型 LED 驅動器, 但是額外的開關 MOSFET 增加了系統複雜性和成本. 負輸出降壓-升壓型拓撲僅採用一組開關功率 MOSFET, 且允許正極與散熱器直接 (電) 連接, 從而免除了在散熱器上增設電隔離器的需要, 並簡化了系統的機械設計.
為了滿足高性能要求, LT3744 可配置為同步降壓型或負輸出降壓-升壓型控制器, 以超過 20A 的連續電流驅動 LED 負載. LT3744 的電源輸入可以接受 3.3V 至 36V 電壓. 作為降壓型轉換器使用時, 該器件在 0V 直至電源電壓範圍內調節 LED 電流. 作為負輸出降壓-升壓型轉換器使用時, LT3744 可在 0V 直至 −20V 的輸出電壓範圍內準確地調節 LED 電流.
在滿標度範圍內, 類比電流調節準確度為 3%, 甚至在 1/20 標度時, 準確度也好於 ±30%. LT3744 有 3 個獨立的類比和數字控制輸入以及 3 個補償及柵極驅動輸出, 適合多種 LED 配置. 通過分離電感器電流檢測和 LED 電流檢測, LT3744 可配置為降壓型或負輸出降壓-升壓型控制器. 為了便於系統設計, 所有輸入訊號都以電路板地 (SGND, 訊號地) 為基準, 從而無需複雜的分立式電平轉換器.
在負輸出降壓-升壓型配置中, LED 的總體正向電壓可以高於輸入電源電壓, 從而允許用低壓電源驅動高壓 LED 串. 當出於 PCB 功率密度考慮, 需要分散組件功耗時, LT3744 還可以方便地並聯, 以驅動很大的 LED 脈衝負載電流或 DC 負載電流.
高準確度電流檢測
LT3744 採用一個高準確度電流調節誤差放大器, 可實現總電流控制範圍的 1/20 之準確類比調光. 在總體數字 PWM 調光範圍有限的應用中, 或者在需要非常大的調光範圍的應用中, 這個特點至關重要. 例如, 在 100Hz PWM 調光頻率和 1MHz 開關頻率時, LT3744 能夠實現 1250:1 PWM 調光, 還可以與 20:1 類比調光相結合, 以使總體調光範圍擴大到 25000:1.
圖 1 顯示了當類比控制輸入為 0V 時, 隨溫度變化 LT3744 失調電壓的生產一致性, 在這裡, 典型器件數量為 380 個. 憑藉誤差放大器的低失調, 控制環路在 1/20 標度類比調光時, 能夠實現 ±10% 的典型準確度. 圖 2 顯示了當控制輸入等於 1.5V 時, 穩定電壓在多個 LED 電流檢測引腳上的分布. 滿標度範圍的準確度好於 ±3%, 這相當於在 60mV 滿標度調節電壓時準確度為 ±1.8mV.
NUMBER OF UNITS: 器件數量380 TYPICAL UNITS: 典型情況為 380 個器件REGULATED VLED_ISP – VLED_ISN VOLTAGE: 穩定的 VLED_ISP – VLED_ISN 電壓
無閃爍性能
衡量 LED 驅動器性能的最重要指標之一是 LED 電流在 PWM 調光時的恢複速度. 在 PWM 接通訊號上升沿之後的頭幾個開關周期中, 驅動器的表現對最終產品的質量有很大影響. LT3744 採用專有 PWM, 補償和時鐘同步技術, 提供無閃爍性能, 甚至在驅動 LED 至 20A 電流時也是如此.
圖 3 顯示了用 12V 電源向紅光 LED 提供 20A 電流時, 在 5 分鐘時間內 LED 電流的恢複情況. 開關頻率為 550kHz, 電感器為 1µH, PWM 調光頻率為 100Hz, 接通時間為 10µs (1000:1 調光比). 圖中顯示了大約 3 萬個調光周期, 在開關波形中無抖動, 每個恢複開關周期都是相同的.
10V/DIV: 每格 10V5-MINUTE PERSISTENCE: 持續 5 分鐘
在 3 種不同穩定電流之間高速調光
在投影系統中, 讓光源更快速地接通可以減少定時限制. 而定時限制減少, 又可以提高影像更新率, 從而可以提供解析度更高的影像, 並減輕快速移動的白色物體之彩虹效應. LT3744 能夠在不到 3 個開關中期中, 在不同的輸出電流狀態之間過渡.
LT3744 有 3 種穩定電流狀態, 因此色彩混合系統設計師可以決定每個 LED 的色溫. 通過色彩混合可以實現很高的色彩準確度, 以糾正 LED 色彩的不準確性, 消除生產系統導致的各種偏差. LT3743 有小電流和大電流兩種狀態, LT3744 有 3 種電流狀態, 因此所有 3 種色彩 (RGB) 的 LED 都能夠以它們各自的光輸出相互混合, 以獨立地矯正 LED 的色彩.
圖 4 顯示了一個 24V 輸入 / 20A 輸出單 LED 驅動器, 該驅動器提供 3 種不同的穩定電流, 這些電流由 CTRL 上的類比電壓和 PWM 引腳的數字狀態決定. 請注意, 既然 RS 僅用於限制電感器峰值電流和提供絕對過流保護, 那麼這個電阻器的準確度就不必很高, 這降低了系統成本.
20A MAXIMUM: 最大值為 20ABLUE: 藍光
3 種不同電流狀態之間的 PWM 調光如圖 5 和圖 6 所示. 在圖 5 中, PWM 訊號順序接通和斷開. PWM3 的優先順序最高, PWM1 則最低. 這允許單一輸入訊號快速轉換, 以改變輸出電流. 如圖 6 所示, PWM 輸入訊號之間可以有任意長短的時間間隔.
一款適用於微型投影儀或智能手機投影儀的完整 RGB LED 解決方案
在微型投影系統或智能手機投影系統中, 減少總體解決方案佔用的空間及其成本非常重要. 在這類應用中, PCB 空間極其有限, 驅動器解決方案的總體積 (包括組件高度) 必須最小化. 僅用 1 個 LED 驅動器驅動所有 3 個 LED 可以顯著減少所需空間, 從而允許使用較大的電池或功率較大的 LED, 以延長電池壽命和提高投影系統光通量.
LT3744 同時採用了開關輸出電容器技術和浮置柵極驅動器, 用單個 LED 驅動器構成了一個完整的 RGB 解決方案. LT3744 為 PWM 輸出引腳提供了獨特的柵極驅動器. 該驅動器的負軌浮置在 VFNEG 引腳上, 可將所有處於斷開狀態的開關柵極拉低至負電壓. 這確保與輸出電容器串聯的開關在任何條件下都不會接通. 這個驅動器允許任意 LED 串之間有 15V 壓差.
每個 LED 都可以順序接通, 相互之間有一定的時間延遲, 或者按照提供給 PWM 數字輸入的任何模式接通. 此外, 憑藉 3 個獨立的類比控制輸入, 每個 LED 都能夠以不同的穩定電流運行. 當 LT3744 配置為負輸出降壓-升壓型轉換器時, 單節鋰離子電池僅用單個控制器就可以驅動 3 個獨立的 LED 串. 圖 7 顯示了一個專門為 RGB 微型投影儀設計的 3.3V/5A 負輸出, 3 色, 降壓-升壓型 LED 驅動器.
兩個 LT3744 LED 驅動器並聯以組成 324W 雙 LED 驅動器
在任何大功率 / 大電流控制器設計中都有一個重要的限制因素, 那就是 PCB 的功率密度. PCB 功率密度限制到大約 50W/cm2, 以防止電源通路組件的溫度上升得過高. 在極端情況下, 當一個 LED 負載需要的功率超過單個驅動器所能提供的限度時 (仍然保持在功率密度限制之內), 多個轉換器可以並聯以分擔負載.
一個具備新式功率 MOSFET 的高效率大電流 LED 驅動器控制器可以提供大約 200W (解決方案尺寸大約為 4cm2), 並可將所有電源通路組件的溫度限制到低於 80ºC. 就高於 200W 的 LED 負載而言, LT3744 可以並聯, 以限制任何組件的溫度上升. 所有補償輸出都應該並聯, 以允許轉換器之間的均流.
圖 8 顯示了一款 324W 轉換器, 由兩個ADI DC2339A 演示電路板並聯組成. 在這款設計中, 每個並聯的控制器都產生 27A 電流, 總共產生 54A 電流, 電壓為 6V. 通過將相應的補償輸出連接到一起, 兩個控制器協調一致地運行, 以提供平滑, 良好的啟動和準確的 DC 調節.
圖 9 顯示了每個電路板的 LED 電流啟動過程. 請注意, 在整個啟動過程中, 每個電路板提供的穩定電流都是相同的. 圖 10 顯示, 在 DC 穩定且未進行 PWM 調光時, 兩個應用電路板之間實現了出色的電流均分 (波形是直接在彼此的頂部). 圖 11 顯示, 在 100% 占空比時, 溫度上升至比電路板環境溫度高約 55ºC. 組件 L1 是電感器, Q1 和 Q3 是開關功率 FET, R5 是電感器電流檢測電阻器, R32 是 LED 電流檢測電阻器, U1 是 LT3744.
CHANNEL: 通道10ms/DIV: 每格 10ms
在這個應用中, 可以對兩個獨立的 LED 串在 54A 滿電流時進行 PWM 調光. 進行 PWM 調光時, 圖 12 顯示, LED 電流在兩個驅動器之間是完全地均分的. 在這個測試中, LED 電流從 0A 到 54A 的上升時間為 6.6µs. 從每個驅動器輸出到 LED 的電氣連接必須仔細平衡, 以避免在任一通路中增加電感, 這會縮短有效上升時間.
圖 13 顯示, LED 電流為 54A, 進行 50% PWM 調光時, 每個演示電路板的溫度上升情況. 為了最大限度減小每個演示電路板到 LED 的電感, 並聯 LED 驅動器電路板直接安裝在彼此的頂部. 一種更加優化的布局是, 將兩個驅動器安裝在單個電路板上, 每個驅動器的布局相互成鏡像, 跨它們與 LED 的共用連接反射. 無論何時, 只要是設計從 LED 驅動器到大電流 LED 的傳導通路, 就應該密切注意總體電感. 既然電感是導線長度的函數, 那麼導線越長, LED 中的電流恢複時間就越長, 無論驅動器速度有多快.
兩個 LT3744 並聯, 組成負輸出降壓-升壓型 120W LED 驅動器
與非負輸出轉換器一樣, 負輸出降壓-升壓型應用也有同樣的熱量問題, 此外還增加了電感器電流增大的設計挑戰. 就低輸入電壓和高 LED 電壓而言, 電感器中的平均電流有可能非常大. 例如, 如果輸入為 3.3V, 輸出驅動一個綠光 LED, 該 LED 在 20A 時的正向電壓為 6V, 那麼電感器峰值電流為 70A. 此設計中所用電感器的飽和電流應該至少高出 20%, 那麼本例中就應該高於 80A.
既然這一電流流經開關 MOSFET, 那麼 MOSFET 的額定值就必須大於 80A. 通過並聯兩個 LT3744 負輸出降壓-升壓型轉換器, 峰值開關電流就減小了一半, 從而降低了對電源通路組件的要求.
在負輸出降壓-升壓型拓撲中, 僅在同步 FET 導通時, 電感器電流才提供給負載. 如果允許兩個並聯轉換器以其自由運行頻率運作, 那麼在 LED 電流紋波中會有明顯的拍頻, 這是由開關頻率的輕微差別導致的. 為了避免這個問題, 每個轉換器都採用電阻值相同的 RT, 但是這些轉換器都用一個外部時鐘同步. 在圖 14 所示應用中, 轉換器設計為以 300kHz 非同步頻率運行, 同步時鐘為 350kHz.
圖 15 顯示, 向並聯負輸出降壓-升壓型應用中的 LED 提供 30A 電流時, 組件溫度的上升情況.
結論
LT3744 的特點包括很高的電流調節準確度, 浮置 PWM 柵極驅動器和輸入訊號電平轉換, 可以在多種應用中用來驅動 LED. LT3744 能夠用作 RGB 投影系統中的單個驅動器, 從而顯著減小總體解決方案所需佔用的空間, 這就有可能用智能手機實現光輸出很大的視頻投影.
通過運用 3 種電流調節狀態, LT3744 使系統設計師能夠自由決定 LED 色彩, 從而產生色彩更加準確的視頻影像. 通過直接調節 LED 電流和對所有訊號進行電平轉換, LT3744 能夠產生負電壓, 從而允許憑藉簡單的雙開關解決方案, 用低壓電池供電系統驅動多個 LED 串. LT3744 可以非常簡便地並聯, 以向 LED 高效率提供極大的電流, 同時保持電流準確度和電流均分, 甚至在 PWM 調光時也是如此. 並聯 LT3744 降低了電路板溫度和電感器電流, 並將所支援的 LED 功率提高到數百瓦.