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112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案

發(fā)布時(shí)間:2017-05-08 來(lái)源:Jim Christensen 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本參考設(shè)計(jì)利用MAX16834構(gòu)建一個(gè)長(zhǎng)串LED的大功率驅(qū)動(dòng)器。LED電流由數(shù)字電位器調(diào)節(jié),能夠在驅(qū)動(dòng)多達(dá)20個(gè)串聯(lián)LED (總共75V)時(shí)提供高達(dá)1.5A的電流。為延長(zhǎng)工作壽命,輸入和輸出去耦電容均采用陶瓷電容。本參考設(shè)計(jì)采用MAX16834構(gòu)建112.5W boost LED驅(qū)動(dòng)器,用于驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)串LED。這些長(zhǎng)串LED被廣泛用于路燈和停車(chē)場(chǎng)照明。
 
輸入電壓:24VDC ±5% (1.49A) 
 
VLED配置:兩串并聯(lián),每串由19只WLED組成,5Ω電阻用于電流平衡。每串電流為750mA,在75V驅(qū)動(dòng)下提供1.5A的電流。
調(diào)光:50µs (最小值)導(dǎo)通脈沖,200:1最高調(diào)光比,100Hz調(diào)光頻率。
 
注:本設(shè)計(jì)已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。但并未進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試,有些細(xì)節(jié)問(wèn)題尚需進(jìn)一步測(cè)試。
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖1. LED驅(qū)動(dòng)器電路板
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖2. LED驅(qū)動(dòng)器原理圖
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖3. LED驅(qū)動(dòng)器布局
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖4. 材料清單
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖5. 設(shè)計(jì)表格提供了MOSFET和電感的峰值電流和RMS電流。欲索取設(shè)計(jì)表格,請(qǐng)聯(lián)系Maxim在當(dāng)?shù)劁N(xiāo)售機(jī)構(gòu)。
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖6. 開(kāi)關(guān)MOSFET的電壓和檢流電阻的電壓
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖7. 輸出電壓(交流耦合)和開(kāi)關(guān)MOSFET檢流電阻的電壓
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖8. 漏極電壓上升時(shí)間
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖9. 漏極電壓下降時(shí)間
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖10. LED電壓(交流耦合)和電流紋波
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖11. LED電壓(交流耦合)和MOSFET檢流電壓
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖12. 大約150µs的調(diào)光脈沖
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖13. 大約50µs的調(diào)光脈沖
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖14. LED串開(kāi)路OVP 
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
圖15. 預(yù)測(cè)電感的溫升。計(jì)算器來(lái)自Coilcraft®提供的設(shè)計(jì)支持工具。
 
電路說(shuō)明

概述
 
本參考設(shè)計(jì)用于為長(zhǎng)串LED提供高壓boost電流源,長(zhǎng)串LED的應(yīng)用不僅限于路燈和停車(chē)場(chǎng)照明。長(zhǎng)串LED允許采用高性價(jià)比的LED驅(qū)動(dòng)方案,另外,由于各個(gè)LED具有相同電流,可以很好地控制亮度變化。本設(shè)計(jì)采用24V輸入,可提供高達(dá)75V的LED驅(qū)動(dòng)輸出,可驅(qū)動(dòng)1.5A LED燈串(或多串并聯(lián))。測(cè)量到的輸入功率為115.49W,輸出功率為111.6W,具有96.6%的效率。
 
PCB
 
MAX16834 boost設(shè)計(jì)的印制電路板(PCB)采用通用的兩層板(圖1和圖3)。有些PCB功能要求為可選項(xiàng),測(cè)試時(shí)并沒(méi)有組裝這些電路,原理圖(圖2)中將其標(biāo)注為“no-pop”。電路板在IC下方布設(shè)接地島,通過(guò)單點(diǎn)連接至功率地,以確保低噪聲特性。由于很多路燈生產(chǎn)廠商沒(méi)有適當(dāng)焊接設(shè)備焊接其它形式的封裝,例如TQFN封裝,因此本設(shè)計(jì)采用了TSSOP封裝IC。圖4給出本設(shè)計(jì)的材料清單。
 
拓?fù)?/strong>
 
設(shè)計(jì)采用工作在200kHz連續(xù)模式的boost調(diào)節(jié)器。圖5所示表格給出了MOSFET和電感的RMS電流和峰值電流。連續(xù)模式設(shè)計(jì)能夠保持較小的MOSFET電流和電感電流。然而,由于MOSFET (Q1)導(dǎo)通期間電流流過(guò)輸出二極管(D2),輸出二極管的反向恢復(fù)損耗較大,并可能導(dǎo)致更大的關(guān)斷噪聲。從圖6電路波形可以看出,占空比為69%時(shí),MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間大約為3.4µs,關(guān)斷時(shí)間大約為1.5µs。一旦MOSFET關(guān)斷,漏極電壓將上升到輸出電壓與肖特基二極管壓降之和。
 
MOSFET驅(qū)動(dòng)
 
由于采用連續(xù)模式設(shè)計(jì),MOSFET和電感峰值電流低于工作在非連續(xù)模式下的數(shù)值。但是,由于在導(dǎo)通和關(guān)斷期間都有電流流過(guò)MOSFET,MOSFET在兩次轉(zhuǎn)換期間存在較大的開(kāi)關(guān)損耗。MAX16834以足夠強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力使MOSFET在5ns內(nèi)完全導(dǎo)通,在10ns內(nèi)完全關(guān)斷(圖8和圖9),保持較低的溫升。如果設(shè)計(jì)中存在EMI問(wèn)題,則改變MOSFET柵極的串聯(lián)電阻R5,以調(diào)整開(kāi)關(guān)時(shí)間。如果這一變化引起功耗過(guò)大,可以增加另一個(gè)MOSFET Q2,與Q1并聯(lián),以降低溫升。
 
輸出電容
 
驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出電容可以采用陶瓷電容。陶瓷電容具有更小尺寸,工作更可靠,但容值有限,尤其是在設(shè)計(jì)中要求200V的額定電壓。圖5中,設(shè)計(jì)表格顯示驅(qū)動(dòng)器需要一個(gè)5.4µF電容以滿足輸出紋波電壓的要求;為降低成本和空間,本電路采用4個(gè)1.2µF電容(共4.8µF)。輸出電壓開(kāi)關(guān)紋波為2.88V (圖10和圖11),紋波電流為182mA,是輸出電流的12%,略大于10%目標(biāo)參數(shù),但仍然能夠滿足要求。
 
調(diào)光
 
MAX16834提供很好的調(diào)光。當(dāng)PWMDIM (第12引腳)為低電平時(shí),將發(fā)生三個(gè)動(dòng)作:第一,開(kāi)關(guān)MOSFET Q1的柵極驅(qū)動(dòng)(NDRV,第15引腳)變?yōu)榈碗娖?,避免額外的能量傳送到LED串;第二,調(diào)光MOSFET Q4的柵極驅(qū)動(dòng)(DIMOUT,第20引腳)變?yōu)榈碗娖?,降低LED串電流并保持輸出電容電壓固定;最后,為保持補(bǔ)償電容處于穩(wěn)態(tài)電壓,COMP (第5引腳)變?yōu)楦咦钁B(tài),以確保IC在PWMDIM返回高電平時(shí)立即以正確的占空比啟動(dòng)。每個(gè)動(dòng)作都允許極短的PWM導(dǎo)通時(shí)間,因此可提供較高的調(diào)光比。
 
縮短導(dǎo)通時(shí)間主要受限于電感的充電時(shí)間,參見(jiàn)圖12和圖13,可以看到電流能夠很好地跟隨DIM脈沖。在電流脈沖的起始位置有衰減,主要是由于電感電流的爬升(大約12µs或2–3個(gè)開(kāi)關(guān)周期)。觀察波形,可以看出需要大約40µs至50µs的時(shí)間電壓才能完全恢復(fù)并建立。如果DIM導(dǎo)通脈沖小于50µs,輸出電壓將在下個(gè)關(guān)斷脈沖的起始處沒(méi)有足夠的時(shí)間。在提高DIM占空比之前,將一直持續(xù)這種現(xiàn)象。因此,滿載(1.5A)時(shí),DIM導(dǎo)通脈沖不應(yīng)低于50µs。這意味著100Hz DIM頻率下,調(diào)光比為200:1。降低最小導(dǎo)通脈沖的唯一途徑是提高輸出電容,這將提高系統(tǒng)的成本,而且在通用照明中并不需要。如果降低LED電流,最小導(dǎo)通時(shí)間可隨之降低,調(diào)光比增大。陶瓷電容表現(xiàn)為壓電效應(yīng),調(diào)光期間會(huì)出現(xiàn)一定的音頻噪聲。不過(guò),通過(guò)適當(dāng)電路板布局,可以最大程度地降低噪聲。
 
OVP
 
圖14中,LED串開(kāi)路,MAX16834的過(guò)壓保護(hù)(OVP)電路在重新啟動(dòng)之前將首先關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器400ms。因?yàn)檩敵鲭娙葺^小,電感儲(chǔ)能可能產(chǎn)生的過(guò)沖,因此采用了107V峰值電壓設(shè)置(高于83V設(shè)計(jì)值)。
 
電路調(diào)整及其它輸入、輸出
 
R15是線性數(shù)字電位器,可以在0A至1.7A之間任意調(diào)節(jié)LED電流。MAX16834具有一個(gè)輸入(SYNC),用于同步控制器的開(kāi)關(guān)頻率。UVEN輸入允許外部控制驅(qū)動(dòng)器(通/斷)。REFIN輸入端的低阻信號(hào)源可以優(yōu)先于電位器設(shè)置,控制驅(qū)動(dòng)器電流。例如,微控制器經(jīng)過(guò)緩沖的DAC可以通過(guò)REFIN直接控制LED電流。出現(xiàn)故障(例如OVP)時(shí),F(xiàn)LT#輸出低電平。一旦解除故障,信號(hào)變?yōu)楦唠娖?,該信?hào)并不閉鎖。
 
溫升
 
測(cè)量效率為96.63% (VIN = 24.01V、I_IN = 1.49A、PIN = 115.49W、VLED = 74.9V、I_LED = 1.49A、POUT = 111.60W)。由于電路的頻率較高,驅(qū)動(dòng)器元件并不發(fā)熱。溫度最高的元件為調(diào)光MOSFET Q4,溫升大約41°C。這一溫升是由于小尺寸PCB布局造成的,可以通過(guò)增大漏極附近的覆銅面積改善。電感尺寸較大,具有23°C的溫升,高于預(yù)期的7°C (圖15)。電感似乎吸收了部分MOSFET熱量,因?yàn)樗鼈児灿么竺娣e覆銅焊盤(pán)。
 
溫度測(cè)量
 
以下溫度是在實(shí)際LED負(fù)載測(cè)試中得到的:
 
112W長(zhǎng)串LED boost驅(qū)動(dòng)器的全陶瓷電容方案
 
上電步驟
 
  1. 在LED+和LED-之間連接最多20只串聯(lián)LED,同時(shí)串聯(lián)安培表以測(cè)量電流(注:如果LED的正向?qū)妷和耆ヅ洳⑶?或者增加串聯(lián)均衡電阻,可以采用并聯(lián)架構(gòu))。
  2. 在VIN和GND之間連接24V、6A電源。
  3. 在連接器J2插入短路器。
  4. 打開(kāi)24V電源。
  5. 調(diào)節(jié)R15將電流設(shè)置為0至1.5A。
  6. 如果需要調(diào)光,則在DIM IN和GND之間連接PWM信號(hào)(0V至3.3V)。
  7. 按照上述內(nèi)容調(diào)節(jié)PWM占空比,實(shí)現(xiàn)調(diào)光。
 
本文轉(zhuǎn)載自Maxim。
 
 
 
 
 
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