有些高功率 LED 具有獨(dú)特的機(jī)械和電氣考慮，其正極電連接至導(dǎo)熱的后飾片。在采用降壓穩(wěn)壓器配置的傳統(tǒng) LED 驅(qū)動(dòng)器中，熱管理是通過冷卻底盤來實(shí)現(xiàn)的，至后飾片的正極連接線會(huì)產(chǎn)生一個(gè)機(jī)電設(shè)計(jì)難題。后飾片必須具有至散熱器的良好導(dǎo)熱性，但也必須與之保持電隔離 (如果后飾片上的電壓與底盤不同)。由于 LED 制造商改變生產(chǎn)工藝或封裝是很困難的，因此 LED 驅(qū)動(dòng)器本身必須迎接該設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
一種選項(xiàng)是使用四開關(guān)正降壓-升壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器，但是額外的開關(guān) MOSFET 增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。負(fù)輸出降壓-升壓型拓?fù)鋬H采用一組開關(guān)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(shè)電隔離器的需要，并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)。
為了滿足高性能要求，LT3744 可配置為同步降壓型或負(fù)輸出降壓-升壓型控制器，以超過 20A 的連續(xù)電流驅(qū)動(dòng) LED 負(fù)載。LT3744 的電源輸入可以接受 3.3V 至 36V 電壓。作為降壓型轉(zhuǎn)換器使用時(shí)，該器件在 0V 直至電源電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié) LED 電流。作為負(fù)輸出降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器使用時(shí)，LT3744 可在 0V 直至 -20V 的輸出電壓范圍內(nèi)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié) LED 電流。
在滿標(biāo)度范圍內(nèi)，模擬電流調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度為 3%，甚至在 1/20 標(biāo)度時(shí)，準(zhǔn)確度也好于 ±30%。LT3744 有 3 個(gè)獨(dú)立的模擬和數(shù)字控制輸入以及 3 個(gè)補(bǔ)償及柵極驅(qū)動(dòng)輸出，適合多種 LED 配置。通過分離電感器電流檢測(cè)和 LED 電流檢測(cè)，LT3744 可配置為降壓型或負(fù)輸出降壓-升壓型控制器。為了便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所有輸入信號(hào)都以電路板地 (SGND，信號(hào)地) 為基準(zhǔn)，從而無需復(fù)雜的分立式電平轉(zhuǎn)換器。
在負(fù)輸出降壓-升壓型配置中，LED 的總體正向電壓可以高于輸入電源電壓，從而允許用低壓電源驅(qū)動(dòng)高壓 LED 串。當(dāng)出于 PCB 功率密度考慮，需要分散組件功耗時(shí)，LT3744 還可以方便地并聯(lián)，以驅(qū)動(dòng)很大的 LED 脈沖負(fù)載電流或 DC 負(fù)載電流。
高準(zhǔn)確度電流檢測(cè)
LT3744 采用一個(gè)高準(zhǔn)確度電流調(diào)節(jié)誤差放大器，可實(shí)現(xiàn)總電流控制范圍的 1/20 之準(zhǔn)確模擬調(diào)光。在總體數(shù)字 PWM 調(diào)光范圍有限的應(yīng)用中，或者在需要非常大的調(diào)光范圍的應(yīng)用中，這個(gè)特點(diǎn)至關(guān)重要。例如，在 100Hz PWM 調(diào)光頻率和 1MHz 開關(guān)頻率時(shí)，LT3744 能夠?qū)崿F(xiàn) 1250:1 PWM 調(diào)光，還可以與 20:1 模擬調(diào)光相結(jié)合，以使總體調(diào)光范圍擴(kuò)大到 25000:1。
圖 1 顯示了當(dāng)模擬控制輸入為 0V 時(shí)，隨溫度變化 LT3744 失調(diào)電壓的生產(chǎn)一致性，在這里，典型器件數(shù)量為 380 個(gè)。憑借誤差放大器的低失調(diào)，控制環(huán)路在 1/20 標(biāo)度模擬調(diào)光時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn) ±10% 的典型準(zhǔn)確度。圖 2 顯示了當(dāng)控制輸入等于 1.5V 時(shí)，穩(wěn)定電壓在多個(gè) LED 電流檢測(cè)引腳上的分布。滿標(biāo)度范圍的準(zhǔn)確度好于 ±3%，這相當(dāng)于在 60mV 滿標(biāo)度調(diào)節(jié)電壓時(shí)準(zhǔn)確度為 ±1.8mV。
圖 1：VCTRL = 0V 時(shí)，LT3744 中的 LED 電流調(diào)節(jié)放大器之典型失調(diào)電壓為 ±300µV
NUMBER OF UNITS：器件數(shù)量
380 TYPICAL UNITS：典型情況為 380 個(gè)器件
REGULATED VLED_ISP – VLED_ISN VOLTAGE：穩(wěn)定的 VLED_ISP – VLED_ISN 電壓
圖 2：在滿標(biāo)度電流和 VCTRL = 1.5V 時(shí)，LED 電流調(diào)節(jié)環(huán)路的典型準(zhǔn)確度為 ±1.7%。
無閃爍性能
衡量 LED 驅(qū)動(dòng)器性能的最重要指標(biāo)之一是 LED 電流在 PWM 調(diào)光時(shí)的恢復(fù)速度。在 PWM 接通信號(hào)上升沿之后的頭幾個(gè)開關(guān)周期中，驅(qū)動(dòng)器的表現(xiàn)對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量有很大影響。LT3744 采用專有 PWM、補(bǔ)償和時(shí)鐘同步技術(shù)，提供無閃爍性能，甚至在驅(qū)動(dòng) LED 至 20A 電流時(shí)也是如此。
圖 3 顯示了用 12V 電源向紅光 LED 提供 20A 電流時(shí)，在 5 分鐘時(shí)間內(nèi) LED 電流的恢復(fù)情況。開關(guān)頻率為 550kHz，電感器為 1µH，PWM 調(diào)光頻率為 100Hz，接通時(shí)間為 10µs (1000:1 調(diào)光比)。圖中顯示了大約 3 萬個(gè)調(diào)光周期，在開關(guān)波形中無抖動(dòng)，每個(gè)恢復(fù)開關(guān)周期都是相同的。
圖 3：LT3744 提供無閃爍 LED 調(diào)光
10V/DIV：每格 10V
5-MINUTE PERSISTENCE：持續(xù) 5 分鐘
在 3 種不同穩(wěn)定電流之間高速調(diào)光
在投影系統(tǒng)中，讓光源更快速地接通可以減少定時(shí)限制。而定時(shí)限制減少，又可以提高影像更新率，從而可以提供分辨率更高的影像，并減輕快速移動(dòng)的白色物體之彩虹效應(yīng)。LT3744 能夠在不到 3 個(gè)開關(guān)中期中，在不同的輸出電流狀態(tài)之間過渡。
LT3744 有 3 種穩(wěn)定電流狀態(tài)，因此色彩混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以決定每個(gè) LED 的色溫。通過色彩混合可以實(shí)現(xiàn)很高的色彩準(zhǔn)確度，以糾正 LED 色彩的不準(zhǔn)確性，消除生產(chǎn)系統(tǒng)導(dǎo)致的各種偏差。LT3743 有小電流和大電流兩種狀態(tài)，LT3744 有 3 種電流狀態(tài)，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(dú)立地矯正 LED 的色彩。
圖 4 顯示了一個(gè) 24V 輸入 / 20A 輸出單 LED 驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器提供 3 種不同的穩(wěn)定電流，這些電流由 CTRL 上的模擬電壓和 PWM 引腳的數(shù)字狀態(tài)決定。請(qǐng)注意，既然 RS 僅用于限制電感器峰值電流和提供絕對(duì)過流保護(hù)，那么這個(gè)電阻器的準(zhǔn)確度就不必很高，這降低了系統(tǒng)成本。
圖 4：LT3744 能夠以 3 種不同的電流值驅(qū)動(dòng)單個(gè) LED
20A MAXIMUM：最大值為 20A
BLUE：藍(lán)光
3 種不同電流狀態(tài)之間的 PWM 調(diào)光如圖 5 和圖 6 所示。在圖 5 中，PWM 信號(hào)順序接通和斷開。PWM3 的優(yōu)先級(jí)最高，PWM1 則最低。這允許單一輸入信號(hào)快速轉(zhuǎn)換，以改變輸出電流。如圖 6 所示，PWM 輸入信號(hào)之間可以有任意長(zhǎng)短的時(shí)間間隔。
圖 5：LT3744 在 3 種穩(wěn)定電流狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，斷開時(shí)間不到 3 個(gè)開關(guān)周期。
圖 6：不同電流狀態(tài)可以在任何時(shí)間接通 (狀態(tài)之間具有或沒有時(shí)間間隔)
一款適用于微型投影儀或智能手機(jī)投影儀的完整 RGB LED 解決方案
在微型投影系統(tǒng)或智能手機(jī)投影系統(tǒng)中，減少總體解決方案占用的空間及其成本非常重要。在這類應(yīng)用中，PCB 空間極其有限，驅(qū)動(dòng)器解決方案的總體積 (包括組件高度) 必須最小化。僅用 1 個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)所有 3 個(gè) 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(zhǎng)電池壽命和提高投影系統(tǒng)光通量。
LT3744 同時(shí)采用了開關(guān)輸出電容器技術(shù)和浮置柵極驅(qū)動(dòng)器，用單個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了一個(gè)完整的 RGB 解決方案。LT3744 為 PWM 輸出引腳提供了獨(dú)特的柵極驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器的負(fù)軌浮置在 VFNEG 引腳上，可將所有處于斷開狀態(tài)的開關(guān)柵極拉低至負(fù)電壓。這確保與輸出電容器串聯(lián)的開關(guān)在任何條件下都不會(huì)接通。這個(gè)驅(qū)動(dòng)器允許任意 LED 串之間有 15V 壓差。
每個(gè) LED 都可以順序接通，相互之間有一定的時(shí)間延遲，或者按照提供給 PWM 數(shù)字輸入的任何模式接通。此外，憑借 3 個(gè)獨(dú)立的模擬控制輸入，每個(gè) LED 都能夠以不同的穩(wěn)定電流運(yùn)行。當(dāng) LT3744 配置為負(fù)輸出降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器時(shí)，單節(jié)鋰離子電池僅用單個(gè)控制器就可以驅(qū)動(dòng) 3 個(gè)獨(dú)立的 LED 串。圖 7 顯示了一個(gè)專門為 RGB 微型投影儀設(shè)計(jì)的 3.3V/5A 負(fù)輸出、3 色、降壓-升壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器。
圖 7：LT3744 能夠用單節(jié)鋰離子電池驅(qū)動(dòng)微型投影儀或智能手機(jī)投影儀中所有 3 種色彩 (R、G 和 B) 的 LED。
兩個(gè) LT3744 LED 驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)以組成 324W 雙 LED 驅(qū)動(dòng)器
在任何大功率 / 大電流控制器設(shè)計(jì)中都有一個(gè)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(dāng)一個(gè) LED 負(fù)載需要的功率超過單個(gè)驅(qū)動(dòng)器所能提供的限度時(shí) (仍然保持在功率密度限制之內(nèi))，多個(gè)轉(zhuǎn)換器可以并聯(lián)以分擔(dān)負(fù)載。
一個(gè)具備新式功率 MOSFET 的高效率大電流 LED 驅(qū)動(dòng)器控制器可以提供大約 200W (解決方案尺寸大約為 4cm2)，并可將所有電源通路組件的溫度限制到低于 80ºC。就高于 200W 的 LED 負(fù)載而言，LT3744 可以并聯(lián)，以限制任何組件的溫度上升。所有補(bǔ)償輸出都應(yīng)該并聯(lián)，以允許轉(zhuǎn)換器之間的均流。
圖 8 顯示了一款 324W 轉(zhuǎn)換器，由兩個(gè)ADI DC2339A 演示電路板并聯(lián)組成。在這款設(shè)計(jì)中，每個(gè)并聯(lián)的控制器都產(chǎn)生 27A 電流，總共產(chǎn)生 54A 電流，電壓為 6V。通過將相應(yīng)的補(bǔ)償輸出連接到一起，兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行，以提供平滑、良好的啟動(dòng)和準(zhǔn)確的 DC 調(diào)節(jié)。
圖 8：一款 57A/324W 雙 LED 驅(qū)動(dòng)器
圖 9 顯示了每個(gè)電路板的 LED 電流啟動(dòng)過程。請(qǐng)注意，在整個(gè)啟動(dòng)過程中，每個(gè)電路板提供的穩(wěn)定電流都是相同的。圖 10 顯示，在 DC 穩(wěn)定且未進(jìn)行 PWM 調(diào)光時(shí)，兩個(gè)應(yīng)用電路板之間實(shí)現(xiàn)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(shí)，溫度上升至比電路板環(huán)境溫度高約 55ºC。組件 L1 是電感器、Q1 和 Q3 是開關(guān)功率 FET，R5 是電感器電流檢測(cè)電阻器，R32 是 LED 電流檢測(cè)電阻器，U1 是 LT3744。
ADI大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器控制器系列總結(jié)
圖 9：?jiǎn)?dòng)時(shí) LED 電流均分
CHANNEL：通道
10ms/DIV：每格 10ms
圖 10：在滿負(fù)載時(shí) LED DC 電流均分，兩個(gè)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器之間的電流差別非常小。
圖 11：100% 占空比、向 LED 提供 324W 功率時(shí)，并聯(lián)電路板的溫度。
在這個(gè)應(yīng)用中，可以對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的 LED 串在 54A 滿電流時(shí)進(jìn)行 PWM 調(diào)光。進(jìn)行 PWM 調(diào)光時(shí)，圖 12 顯示，LED 電流在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間是完全地均分的。在這個(gè)測(cè)試中，LED 電流從 0A 到 54A 的上升時(shí)間為 6.6µs。從每個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出到 LED 的電氣連接必須仔細(xì)平衡，以避免在任一通路中增加電感，這會(huì)縮短有效上升時(shí)間。
圖 12：在進(jìn)行 PWM 調(diào)光時(shí)，LT3744 的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器之間實(shí)現(xiàn)了出色的 LED 電流均分。
圖 13 顯示，LED 電流為 54A、進(jìn)行 50% PWM 調(diào)光時(shí)，每個(gè)演示電路板的溫度上升情況。為了最大限度減小每個(gè)演示電路板到 LED 的電感，并聯(lián) LED 驅(qū)動(dòng)器電路板直接安裝在彼此的頂部。一種更加優(yōu)化的布局是，將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器安裝在單個(gè)電路板上，每個(gè)驅(qū)動(dòng)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(shí)，只要是設(shè)計(jì)從 LED 驅(qū)動(dòng)器到大電流 LED 的傳導(dǎo)通路，就應(yīng)該密切注意總體電感。既然電感是導(dǎo)線長(zhǎng)度的函數(shù)，那么導(dǎo)線越長(zhǎng)，LED 中的電流恢復(fù)時(shí)間就越長(zhǎng)，無論驅(qū)動(dòng)器速度有多快。
圖 13：50% PWM 調(diào)光、向 LED 提供 54A 脈沖電流時(shí)，并聯(lián)電路板的溫度。
兩個(gè) LT3744 并聯(lián)，組成負(fù)輸出降壓-升壓型 120W LED 驅(qū)動(dòng)器
與非負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器一樣，負(fù)輸出降壓-升壓型應(yīng)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。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(qū)動(dòng)一個(gè)綠光 LED，該 LED 在 20A 時(shí)的正向電壓為 6V，那么電感器峰值電流為 70A。此設(shè)計(jì)中所用電感器的飽和電流應(yīng)該至少高出 20%，那么本例中就應(yīng)該高于 80A。
既然這一電流流經(jīng)開關(guān) MOSFET，那么 MOSFET 的額定值就必須大于 80A。通過并聯(lián)兩個(gè) LT3744 負(fù)輸出降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，峰值開關(guān)電流就減小了一半，從而降低了對(duì)電源通路組件的要求。
在負(fù)輸出降壓-升壓型拓?fù)渲?，僅在同步 FET 導(dǎo)通時(shí)，電感器電流才提供給負(fù)載。如果允許兩個(gè)并聯(lián)轉(zhuǎn)換器以其自由運(yùn)行頻率運(yùn)作，那么在 LED 電流紋波中會(huì)有明顯的拍頻，這是由開關(guān)頻率的輕微差別導(dǎo)致的。為了避免這個(gè)問題，每個(gè)轉(zhuǎn)換器都采用電阻值相同的 RT，但是這些轉(zhuǎn)換器都用一個(gè)外部時(shí)鐘同步。在圖 14 所示應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為以 300kHz 非同步頻率運(yùn)行，同步時(shí)鐘為 350kHz。
圖 14：并聯(lián)負(fù)輸出應(yīng)用向連接到系統(tǒng)外殼的公共陽極 LED 提供 120W 功率。
圖 15 顯示，向并聯(lián)負(fù)輸出降壓-升壓型應(yīng)用中的 LED 提供 30A 電流時(shí)，組件溫度的上升情況。
圖 15：向 LED 提供 120W 功率的并聯(lián)負(fù)輸出電路板的溫度
結(jié)論
LT3744 的特點(diǎn)包括很高的電流調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度、浮置 PWM 柵極驅(qū)動(dòng)器和輸入信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，可以在多種應(yīng)用中用來驅(qū)動(dòng) LED。LT3744 能夠用作 RGB 投影系統(tǒng)中的單個(gè)驅(qū)動(dòng)器，從而顯著減小總體解決方案所需占用的空間，這就有可能用智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)光輸出很大的視頻投影。
通過運(yùn)用 3 種電流調(diào)節(jié)狀態(tài)，LT3744 使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠自由決定 LED 色彩，從而產(chǎn)生色彩更加準(zhǔn)確的視頻影像。通過直接調(diào)節(jié) LED 電流和對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，LT3744 能夠產(chǎn)生負(fù)電壓，從而允許憑借簡(jiǎn)單的雙開關(guān)解決方案，用低壓電池供電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)多個(gè) LED 串。LT3744 可以非常簡(jiǎn)便地并聯(lián)，以向 LED 高效率提供極大的電流，同時(shí)保持電流準(zhǔn)確度和電流均分，甚至在 PWM 調(diào)光時(shí)也是如此。并聯(lián) LT3744 降低了電路板溫度和電感器電流，并將所支持的 LED 功率提高到數(shù)百瓦。
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