MAX16821

只需增添三个功率MOSFET，单通道降压转换器即可驱动投影仪的RGBLED摘要：本应用笔记介绍了低功耗投影仪的RGBLED驱动器参考设计。该设计利用单片MAX16821HBLED驱动器在每一时刻驱动一个RGBLED。这种方法减少了元件数量，获得高效、小巧且经济的设计。文中给出了电路板布局和测试结果。引言本应用笔记提供了一个低功耗投影仪RGBLED驱动器的参考设计。基于单芯片MAX16821构建大电流LED驱动器，能够为一组降压驱动的RGBLED提供高达10A的电流，通/断时间小于1µs。某一时刻只驱动一个彩色LED，RGB按比例共用PWM周期。LED驱动器技术指标输入电源电压：10V至15VLED驱动电流：10ALED正向偏压：4.5V至6VLED电流上升/下降时间：1µsLED电流纹波：10%峰峰值，最大值输入VIN(J4)：电源输入PWMR、PWMB、PWMG(J8的引脚1、3和4)：RGBPWM输入信号，幅值应为3.3V至5V。当输出的上升/下降时间保持在1µs以内时，任何超出2µs的PWM周期均可使用。某一时刻只有上述三个信号之一为高电平。PWMN(J8的引脚4)：PWMR、PWMG和PWMB进行逻辑NOR。只有所有三个PWM信号均为低电平时，PWMN为高电平。ON/OFF(J1)：保持开路或驱动至+5V使能驱动器，连接至GND禁用电路板工作。输出LEDR、LEDG、LEDB(J5、J6和J7)：10ARGBLED输出。将LED+连接至引脚3、4和5；将LED-连接至引脚6、7和8。OUTV(J2)：提供与LED电流成比例的信号，OUTV上的电压为R12||R16电压的135倍。VIN_OUT(J3)：输入电源电压，用于连接至其它电路板。引脚1和2为VIN+；引脚3和4为GND。图1.LED驱动电路板(顶层)清晰图片(PDF,1.35MB)图2.LED驱动电路板(底层)清晰图片(PDF,112kB)图3.由MAX16821构成的LED驱动器原理图。电路说明低功耗投影仪采用单芯片DLP处理RGB颜色。任何给定时间内只点亮一种颜色的DLP。这种方法能够采用一路大电流驱动器，配合几个附加开关实现LED之间的切换，从而构成紧凑、经济的投影仪设计。本文提供的LED驱动器参考设计采用单个降压转换器依次为RGBLED提供10A电流驱动。MOSFETSQ8、Q9和Q10选择并切换稳定的电感电流，基于PWM信号为其中一个RGBLED提供驱动。MAX16821Bbuck转换器的核心电路工作在平均电流控制模式，将10V至15V输入电源电压降至4.5V至6VLED正向偏压。buck转换器的工作频率通过外部接地电阻设置。MODE引脚连接至GND，选择IC工作buck驱动器模式。转换器开关工作频率为300kHz，该设置使得器件优化工作在以较小尺寸电感提供非常高的效率。设计要求LED电流上升/下降时间小于1µs，为达到这一指标，必须选择非常小的输出滤波电容，从而增大了负载纹波电流。另外，如果选择大于常规值的电感，电感纹波电流将保持在负载纹波电流以内。输出端通过1µF电容(C11)将输出电流摆率限制在10A/µs，防止寄生元件造成任何过冲。LED驱动器通过电感控制并维持10A电流，按照任意瞬间需要驱动的LED，分别导通Q8、Q9或Q10，将电感电流切换到对应的LED。全部三个LED关闭时，电感电流通过Q4构成本地回路。MAX16821器件有两个控制环路：内部环路控制电感电流，外部环路确定驱动LED所需的电感电流。在降压转换器中，电感电流与LED电流相同。因此，控制电路被简化为单个电感电流监测环路。本设计中，为防止电感电流的次级谐波振荡，R5将电流误差放大器增益限制在11.5V/V。电流环路补偿没有零-极点对，从而增大了低频增益，使电感电流准确稳定在电压环路的设置值。电压误差放大器将R11||R17两端的LED检流电压与内部100mV基准进行比较，并提供70dB误差增益。经过放大后的输出驱动内部电流环路。即使内部电流环路增益较低，由于电压误差放大器的高增益也能够使LED电流稳定在10A。电感电流在RGBLED和Q4形成的本地环路之间切换，电压误差放大器输出需要4级不同电平。因为这4种条件下的输出电压不同，所以需要4个电平。4个不同的补偿电容(C7、C10、C13和C14)用于存储电压误差放大器输出，分别对应4种不同的负载条件。补偿电容通过模拟开关(Q2、Q5、Q6和Q7)连接到电路，每次接通一路。一旦打开LED，对应的补偿电容即刻将误差放大器输出调节至上次存储电压，从而使LED电流很快上升至10A。内部电流环路吸收电感形成的极点，由LED动态阻抗和输出电容C11构成的输出极点，所产生的极点频率远远高于开关频率。电压环路只有一个极性，为电压误差放大器的极点。补偿电容(C7、C10、C13和C14)在原点构成一个极点，使电压环路在1/10频程通过0dB。MAX15025双通道MOSFET驱动器(U2、U3)驱动(Q2、Q5、Q6和Q7)，在LED负载之间快速切换，电流摆率高达10A/1µs。由C9和R10构成的降损电路减缓了LX节点的开关边沿，有助于抑制任何过冲/欠冲振铃。如果输出电压超过6.4V，由R3和R4提供的过压保护反馈将关断U1。一旦输出电压降至5.4V以下，U1恢复开关操作。滤波电容C1防止由于噪声引起的错误触发。RC网络提供从电源导通沿开始的3ms延迟，使U1在输入电源稳定后开始工作。电路波形图4.示波器截图显示了其中一个LED(CH3)的电流；OUTV引脚(CH1)电压代表电感电流的大小；CLP引脚(CH2)上的电压代表PWM占空比。电感电流在整个周期内相同。蓝光、绿光LED的PWM占空比几乎相同，但红光LED较小。在1µs内LED电流上升并稳定至最终值。温度测量：VIN：12VIOUT：10A至RGBLED，每种颜色为20%PWM制冷：电路板被强制风冷电路板温度：+53°CQ1、Q3外壳：+60°CQ4、Q8、Q9和Q10外壳：+58°CU1顶部：+53°CL1线圈温度：+70°C上电步骤将10ARGBLED连接至J5、J6和J7。保持PWMR、PWMG、PWMB和PWMN信号为低电平。将电源电压逐渐增高至10V，观察电流，电流应小于0.3A。施加PWM信号PWMR、PWMG和PWMB，PWM占空比为15%至20%(定位每个PWM脉冲，同时应只有一个PWM信号为高电平)。PWMN信号应为PWMR、PWMG和PWMB的数字或非。全部三个LED按照设定的占空比由10A电流交替驱动便携式投影仪6ARGBLED驱动器参考设计应用笔记概述详细资料概述本参考设计针对便携式投影仪的6A降压型LED驱动器，参考设计基于PWMHBLED驱动器MAX16821，该电路可驱动一个LED；驱动RGB三色LED时需要使用三片MAX16821。LED驱动器规格输入电压范围(VIN)：10V至15V输出电压(VLED)：4.5V至6V输出电流(ILED)：1.5A至6A，可模拟控制模拟控制电压：1.1V至2.8V，对应1.5A至6A最大LED导通占空比：50%最大LED电流上升/下降时间：1µs最大LED电流纹波：6A时，15%输入VIN(J1和J2接VIN+，J3和J4接GND)：10V至15V输入电源。通/断控制(J8)：浮空或连接到+5V，使能驱动器；J8短路时禁止电路板工作。PWM输入(J7)：PWM调光输入，连接一个幅度为3V至5V的PWM信号。为了保证PWM输入能够驱动Q1和Q7，信号源在驱动300pF负载时，上升/下降时间应小于500ns。由于输出信号的上升/下降时间控制在1µs以内，任何周期为1µs的3至4倍的PWM信号都可以使用。LED电流控制(J6)：LED电流调节输入。加载1.1V至2.8V电压，可以在1.5A至5A范围调整LED电流。输出LED+(J9、J10)：接LED阳极。LED-(J11、J12)：接LED阴极。电感电流输出(J5)：提供一个与LED电流成比例的信号。OUTV电压为R9电压的135倍。详细图片(PDF,2.23MB)图1.MAX16821LED驱动器电路板详细图片(PDF,2.63MB)图2.LED驱动器电路板原理图电路说明LED驱动器对10V至15V输入电源电压进行降压转换，恒流驱动一个正向导通电压为4.5V至6V的LED。使用MAX16821PWMHBLED驱动器实现降压转换。由于平均电感电流等于LED电流，可以通过控制平均电感电流恒流驱动LED，开关频率通过电阻R6(200kΩ)设置为300kHz。电路包含两个控制环路：内部电流环路根据外部电压环路的输出控制电感电流；外部电压环路设置内部电流环路，最终控制LED电流。外部电压环路监测OUTV引脚，U1的输出产生EAOUT信号。EAOUT信号控制内部电流环路，即控制电感电流。模拟LED电流控制运算放大器U1接受1.1V至2.8V的模拟输入，驱动MAX16821的SENSE+输入引脚，在1.5A至6A范围内调节LED电流。当LED电流达到6A时，连接到U1的参考电压和电阻分压器在U1输出端产生大约20mV(高于VOL的最差值)的电压。2.8V的模拟控制输入产生该输出电压。LED电流上升到6A时，R1和R22构成的电阻分压器将OUTV的电流检测信号分压，产生一个很小的电压叠加在U1输出端；由R1和R22生成的电压等于SENSE+输入端100mV的外环参考电压。注意，OUTV信号是R9、R18电流检测信号放大后的电压，放大倍数为135V/V。随着模拟控制输入电压从2.8V开始下降，U1的输出电压从20mV开始线性增大。U1输出电压的升高，使SENSE+输入在较低的LED电流下达到100mV。当模拟控制输入降至大约1.1V时，U1输出增加到80mV，LED电流降至1.5A。PWM调光在PWM处于关闭状态时，LED输出端的MOSFETQ9导通，LED短路。LED电流降至零，具体取决于Q1的导通时间(本设计中远远小于1µs)。PWM处于关闭期间始终保持电感电流。PWM开始导通时，Q1关闭，电感电流对输出电容充电。输出电压一旦达到LED的起始导通电压，LED电流开始上升。LED电流从0A上升到满幅值的时间取决于几个因素：电感电流、输出电容以及LED的正向导通电压的变化。本参考设计仅在LED电流设定为6A时满足1µsLED开启时间的要求。如需在降低的电流时得到快速的LED开启时间，可增大电感值并减小输出电容。反馈补偿电阻R2和R23限制高频电流环路的增益，补偿次级谐波振荡。在电流环路传输函数中远远低于单位增益频率的位置设置一个零点，既可以保证在低频区有足够的增益，又可以保证电感电流的误差非常小。利用C1、C19构建该零点。在PWM关闭、导通时，Q1和Q2交替连接到RC网络，实现补偿。本设计可保持C1、C19的电量，使PWM响应更加迅速。由于直接测量电感电流，驱动电路的传输函数中没有输出极点。外部电压环路简化成一个单极点系统，而电压误差放大器在设定频率范围内确定这唯一极点。为了避免两个反馈环路相互干扰，C21和C22将外部环路的单位增益频率降至电流环路单位增益频率的十分之一。Q7和Q10保持补偿电容的电荷，保证在PWM脉冲变化时，电压误差放大器的输出能即刻切换至所要求的数值。电阻R24、R25可避免Q7和Q10状态变化产生的电荷注入而导致的C21、C22充/放电。LED电流上升/下降时间本设计要求在PWM工作产生6ALED电流时，LED电流的上升/下降时间保持在1µs以内。这就要求使用较小的输出滤波电容和较大电感，在满足LED电流最大纹波的要求的前提下满足上述条件。PWM处于关闭状态时，Q9导通，建立可编程的电感电流回路。如果LED电流设置为6A，电感电流将由MAX16821调整在6A。输出再次导通时，电感电流对输出电容C8充电。C8的充电速率决定了LED电流的上升时间，基于这一点计