文/ADI公司

　　電源產(chǎn)品部設計工程組負責人 Josh Caldwell

　　電源產(chǎn)品部應用工程師 Walker Bai

　　快速發(fā)展的LED照明應用正在取代幾乎所有傳統(tǒng)形式的照明應用。隨著這種轉(zhuǎn)型的加速，LED驅(qū)動器的功率需求也提高了，如果不犧牲效率，那么電流越大，保持電流檢測準確度就越難。LED驅(qū)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，并能夠并聯(lián)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后飾片。在采用降壓穩(wěn)壓器配置的傳統(tǒng)LED驅(qū)動器中，熱管理是通過冷卻底盤來實現(xiàn)的，至后飾片的正極連接線會產(chǎn)生一個機電設計難題。后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)動器本身必須迎接該設計挑戰(zhàn)。

　　一種選項是使用四開關正降壓-升壓型LED驅(qū)動器，但是額外的開關MOSFET增加了系統(tǒng)復雜性和成本。負輸出降壓-升壓型拓撲僅采用一組開關功率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，并簡化了系統(tǒng)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(xù)電流驅(qū)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(zhuǎn)換器使用時，該器件在0V直至電源電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)LED電流。作為負輸出降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器使用時，LT3744可在0V直至-20V的輸出電壓范圍內(nèi)準確地調(diào)節(jié)LED電流。

　　在滿標度范圍內(nèi)，模擬電流調(diào)節(jié)準確度為3%，甚至在1/20標度時，準確度也好于±30%。LT3744 有3個獨立的模擬和數(shù)字控制輸入以及3個補償及柵極驅(qū)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。為了便于系統(tǒng)設計，所有輸入信號都以電路板地(SGND，信號地)為基準，從而無需復雜的分立式電平轉(zhuǎn)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于輸入電源電壓，從而允許用低壓電源驅(qū)動高壓LED串。當出于PCB功率密度考慮，需要分散組件功耗時，LT3744還可以方便地并聯(lián)，以驅(qū)動很大的LED脈沖負載電流或DC負載電流。

高準確度電流檢測

　　LT3744采用一個高準確度電流調(diào)節(jié)誤差放大器，可實現(xiàn)總電流控制范圍的 1/20 之準確模擬調(diào)光。在總體數(shù)字 PWM 調(diào)光范圍有限的應用中，或者在需要非常大的調(diào)光范圍的應用中，這個特點至關重要。例如，在100Hz PWM調(diào)光頻率和1MHz開關頻率時，LT3744能夠?qū)崿F(xiàn)1250:1 PWM調(diào)光，還可以與20:1模擬調(diào)光相結合，以使總體調(diào)光范圍擴大到25000:1。

　　圖1顯示了當模擬控制輸入為0V時，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。憑借誤差放大器的低失調(diào)，控制環(huán)路在1/20標度模擬調(diào)光時，能夠?qū)崿F(xiàn)±10% 的典型準確度。圖2顯示了當控制輸入等于1.5V時，穩(wěn)定電壓在多個LED電流檢測引腳上的分布。滿標度范圍的準確度好于±3%，這相當于在60mV滿標度調(diào)節(jié)電壓時準確度為±1.8mV。

圖1：VCTRL = 0V時，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個器件

REGULATED V（LED_ISP） – V（LED_ISN） VOLTAGE：穩(wěn)定的 V（LED_ISP） – V（LED_ISN）電壓

圖 2：在滿標度電流和 VCTRL =1.5V時，LED電流調(diào)節(jié)環(huán)路的典型準確度為 ±1.7%。

無閃爍性能

　　衡量LED驅(qū)動器性能的最重要指標之一是LED電流在PWM調(diào)光時的恢復速度。在PWM接通信號上升沿之后的頭幾個開關周期中，驅(qū)動器的表現(xiàn)對最終產(chǎn)品的質(zhì)量有很大影響。LT3744采用專有PWM、補償和時鐘同步技術，提供無閃爍性能，甚至在驅(qū)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(nèi)LED電流的恢復情況。開關頻率為550kHz，電感器為1μH，PWM調(diào)光頻率為100Hz，接通時間為10μs (1000:1調(diào)光比)。圖中顯示了大約3萬個調(diào)光周期，在開關波形中無抖動，每個恢復開關周期都是相同的。

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，從而可以提供分辨率更高的影像，并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(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)設計師可以決定每個LED的色溫。通過色彩混合可以實現(xiàn)很高的色彩準確度，以糾正LED色彩的不準確性，消除生產(chǎn)系統(tǒng)導致的各種偏差。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，以獨立地矯正LED的色彩。

　　圖4顯示了一個24V輸入/ 20A輸出單LED驅(qū)動器，該驅(qū)動器提供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。請注意，既然RS僅用于限制電感器峰值電流和提供絕對過流保護，那么這個電阻器的準確度就不必很高，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)動單個LED

20A MAXIMUM：最大值為20A

BLUE：藍光

　　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信號順序接通和斷開。PWM3的優(yōu)先級最高，PWM1則最低。這允許單一輸入信號快速轉(zhuǎn)換，以改變輸出電流。如圖6所示，PWM輸入信號之間可以有任意長短的時間間隔。

圖 5：LT3744在3種穩(wěn)定電流狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，斷開時間不到3個開關周期。

圖 6：不同電流狀態(tài)可以在任何時間接通 (狀態(tài)之間具有或沒有時間間隔)

一款適用于微型投影儀或智能手機投影儀的完整 RGBLED解決方案

　　在微型投影系統(tǒng)或智能手機投影系統(tǒng)中，減少總體解決方案占用的空間及其成本非常重要。在這類應用中，PCB空間極其有限，驅(qū)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(qū)動器驅(qū)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(tǒng)光通量。

　　LT3744同時采用了開關輸出電容器技術和浮置柵極驅(qū)動器，用單個LED驅(qū)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(qū)動器。該驅(qū)動器的負軌浮置在V(FNEG)引腳上，可將所有處于斷開狀態(tài)的開關柵極拉低至負電壓。這確保與輸出電容器串聯(lián)的開關在任何條件下都不會接通。這個驅(qū)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(shù)字輸入的任何模式接通。此外，憑借3 個獨立的模擬控制輸入，每個LED都能夠以不同的穩(wěn)定電流運行。當 LT3744 配置為負輸出降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器時，單節(jié)鋰離子電池僅用單個控制器就可以驅(qū)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(qū)動器。

圖7：LT3744能夠用單節(jié)鋰離子電池驅(qū)動微型投影儀或智能手機投影儀中所有3種色彩(R、G和B)的LED。

兩個LT3744LED驅(qū)動器并聯(lián)以組成324W雙LED驅(qū)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(qū)動器所能提供的限度時(仍然保持在功率密度限制之內(nèi))，多個轉(zhuǎn)換器可以并聯(lián)以分擔負載。

　　一個具備新式功率MOSFET的高效率大電流LED驅(qū)動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負載而言，LT3744可以并聯(lián)，以限制任何組件的溫度上升。所有補償輸出都應該并聯(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ADI DC2339A 演示電路板并聯(lián)組成。在這款設計中，每個并聯(lián)的控制器都產(chǎn)生27A電流，總共產(chǎn)生54A電流，電壓為6V。通過將相應的補償輸出連接到一起，兩個控制器協(xié)調(diào)一致地運行，以提供平滑、良好的啟動和準確的DC調(diào)節(jié)。

圖 8：一款57A/324W雙LED驅(qū)動器

　　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(wěn)定電流都是相同的。圖10顯示，在DC穩(wěn)定且未進行PWM調(diào)光時，兩個應用電路板之間實現(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，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。

　　ADI大功率LED驅(qū)動器控制器系列總結

圖 9：啟動時LED電流均分

CHANNEL：通道

10ms/DIV：每格10ms

圖10：在滿負載時LEDDC電流均分，兩個并聯(lián)驅(qū)動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，并聯(lián)電路板的溫度

　　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(diào)光。進行PWM調(diào)光時，圖12顯示，LED電流在兩個驅(qū)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(qū)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12：在進行PWM調(diào)光時，LT3744的并聯(lián)驅(qū)動器之間實現(xiàn)了出色的LED電流均分。

　　圖 13 顯示，LED電流為54A、進行50% PWM調(diào)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，并聯(lián)LED驅(qū)動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，將兩個驅(qū)動器安裝在單個電路板上，每個驅(qū)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(qū)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(shù)，那么導線越長，LED中的電流恢復時間就越長，無論驅(qū)動器速度有多快。

圖13：50%PWM調(diào)光、向LED提供54A脈沖電流時，并聯(lián)電路板的溫度。

兩個 LT3744并聯(lián)，組成負輸出降壓-升壓型120WLED驅(qū)動器

　　與非負輸出轉(zhuǎn)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(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)動一個綠光LED，該LED在20A時的正向電壓為6V，那么電感器峰值電流為70A。此設計中所用電感器的飽和電流應該至少高出20%，那么本例中就應該高于80A。

　　既然這一電流流經(jīng)開關MOSFET，那么MOSFET的額定值就必須大于80A。通過并聯(lián)兩個LT3744負輸出降壓-升壓型轉(zhuǎn)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。如果允許兩個并聯(lián)轉(zhuǎn)換器以其自由運行頻率運作，那么在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(zhuǎn)換器都采用電阻值相同的RT，但是這些轉(zhuǎn)換器都用一個外部時鐘同步。在圖14所示應用中，轉(zhuǎn)換器設計為以300kHz非同步頻率運行，同步時鐘為350kHz。

圖14：并聯(lián)負輸出應用向連接到系統(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。

圖15：向LED提供120W功率的并聯(lián)負輸出電路板的溫度

結論

　　LT3744的特點包括很高的電流調(diào)節(jié)準確度、浮置PWM柵極驅(qū)動器和輸入信號電平轉(zhuǎn)換，可以在多種應用中用來驅(qū)動LED。LT3744能夠用作RGB投影系統(tǒng)中的單個驅(qū)動器，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實現(xiàn)光輸出很大的視頻投影。

　　通過運用3種電流調(diào)節(jié)狀態(tài)，LT3744使系統(tǒng)設計師能夠自由決定LED色彩，從而產(chǎn)生色彩更加準確的視頻影像。通過直接調(diào)節(jié)LED電流和對所有信號進行電平轉(zhuǎn)換，LT3744能夠產(chǎn)生負電壓，從而允許憑借簡單的雙開關解決方案，用低壓電池供電系統(tǒng)驅(qū)動多個LED串。LT3744可以非常簡便地并聯(lián)，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(diào)光時也是如此。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。