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采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器

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

【導(dǎo)讀】本參考設(shè)計(jì)用于buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器。設(shè)計(jì)采用電流模式高亮度LED驅(qū)動(dòng)器MAX16834,利用MAX16834評(píng)估(EV)板實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)方案。本應(yīng)用筆記提供設(shè)計(jì)說(shuō)明、原理圖、材料清單(BOM)以及性能數(shù)據(jù)。該參考設(shè)計(jì)中,buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)從7V至18V直流電源產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)4個(gè)白光LED (WLED)的350mA電流,設(shè)計(jì)采用MAX16834電流模式高亮度(HB) LED驅(qū)動(dòng)器。
 
LED驅(qū)動(dòng)器規(guī)范
 
  • 輸入電壓:7V至18V
  • 輸入電壓紋波:100mVP-P
  • LED電流:350mA
  • LED電流紋波:5% (最大值)
  • LED正向電壓:3.5V (350mA時(shí))
  • LED數(shù)量:4只(最大值)
  • 輸出過(guò)壓保護(hù):17.2V
 
輸入端
 
  • VIN、PGND:電源輸入
  • PWMDIM、SGND:PWM調(diào)光輸入
 
輸出端
 
  • LED+:連接LED陽(yáng)極至LED+
  • LED-:連接LED陰極至LED-
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
圖1. MAX16834EVKIT用于實(shí)現(xiàn)參考設(shè)計(jì)的功能
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
圖2. LED驅(qū)動(dòng)器原理圖
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
詳細(xì)說(shuō)明
 
將boost轉(zhuǎn)換器輸出負(fù)端連接到輸入電源正端,構(gòu)成buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考)。
 
在此設(shè)計(jì)一款buck-boost轉(zhuǎn)換器(以輸入電壓為參考),從7V至18V直流電源產(chǎn)生350mA電流,驅(qū)動(dòng)4個(gè)白光LED (WLED) (每個(gè)WLED在350mA時(shí)的正向壓降為3.5V)。MAX16834 HB LED驅(qū)動(dòng)器集成了峰值電流模式控制器,工作于CCM (連續(xù)導(dǎo)通模式),開(kāi)關(guān)頻率為495kHz。開(kāi)關(guān)頻率通過(guò)R15電阻(11kΩ)設(shè)置。
 
輸入、輸出電壓變化時(shí),MAX16834控制電感的峰值電流,保證LED的電流為350mA。檢測(cè)LED回路的電流檢測(cè)電阻兩端的電壓,然后將其在內(nèi)部放大9.9倍,這樣可以減小檢測(cè)電阻的阻值,從而提高效率。經(jīng)過(guò)放大的電壓與R16和R17設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,其差值由一個(gè)GM = 500µS的跨導(dǎo)放大器進(jìn)行放大,輸出信號(hào)在COMP引腳產(chǎn)生控制電壓,此電壓設(shè)置電流環(huán)路的基準(zhǔn),這樣,電感電流檢測(cè)電阻R9兩端的電壓峰值最終成為此控制電壓。
 
轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
 
  • 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)參數(shù)如下:
  • 輸入電壓范圍:7V至18V
  • 輸入電壓紋波:100mVP-P
  • LED正向最大電壓:14V (即4 x 3.5V)
  • LED電流:350mA
  • LED電流紋波:5% (最大值)
  • 開(kāi)關(guān)頻率:455kHz
     
按照式1計(jì)算N2的最大占空比:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
其中,VLEDMAX是LED最大電壓,VINMIN是最低輸入電壓,VD是二極管壓降,VDS是FET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的平均壓降。
 
本應(yīng)用中,DMAX為0.69。
 
電感(L1)選擇
 
選擇電感,需要知道其電感量和峰值電流。峰值電感電流可用式2計(jì)算:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
其中,ILAVG為平均電感電流,ΔIL為電感電流紋波,表示為平均電感電流的百分比:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
允許電流紋波ΔIL為30%,代入已知參數(shù),可以得到:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
最小電感量可由式5計(jì)算:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
其中,fSW為開(kāi)關(guān)頻率??紤]到20%的容差,可得LMIN = 17µH,此處選擇22µH電感。
 
開(kāi)關(guān)檢流電阻(R9)
 
正常工作時(shí),開(kāi)關(guān)檢流電阻兩端的電壓最大值不應(yīng)高于250mV,如果檢流電阻的電壓達(dá)到300mV (典型值),轉(zhuǎn)換器將關(guān)斷。R9上的電壓決定了開(kāi)關(guān)周期中導(dǎo)通脈沖的寬度,芯片內(nèi)部提供了前沿屏蔽電路,可防止開(kāi)關(guān)MOSFET提前關(guān)斷。R9的計(jì)算如式6所示:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
計(jì)算得到:R9 = 0.133Ω,這里R9選擇0.15Ω。
 
斜率補(bǔ)償電容(C13)
 
眾所周知,在峰值電流模式控制中,CCM boost轉(zhuǎn)換器的占空比超過(guò)50%時(shí)環(huán)路將出現(xiàn)不穩(wěn)定,需要引入適當(dāng)?shù)男甭恃a(bǔ)償,以消除由諧波分量引起的不穩(wěn)定性。MAX16834具有內(nèi)部斜坡發(fā)生器,用于斜率補(bǔ)償。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí),斜坡電壓復(fù)位,然后按外部電容C13設(shè)定的速率上升,C13由內(nèi)部的100µA電流源進(jìn)行充電,斜坡電壓與R9兩端的電壓內(nèi)部疊加。C13的計(jì)算如式7所示:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
其中,VSLOPE為:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
從式7和式8可以得到:C13 = 1.57nF,實(shí)際選取1.5nF電容。
 
LED檢流電阻(R5)
 
利用式9計(jì)算R5:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
在此應(yīng)用中,取VREFI = 1.94V,得到:R5 = 0.56Ω。
 
濾波電容
 
輸出電容COUT (C7與C8的并聯(lián)電容)按式10計(jì)算:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
其中,ΔVLED為輸出電壓紋波的最大峰峰值,它取決于最大電流紋波和此電流下LED的動(dòng)態(tài)阻抗。為延長(zhǎng)LED使用壽命并保證其色度,LED上的紋波電流應(yīng)小于其平均電流的5%。本應(yīng)用中,計(jì)算得到COUT為3µF,故電容C7、C8均選用2.2µF/50V。
 
由式11計(jì)算輸入電容(C1、C2的并聯(lián)電容):
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
其中,ΔVIN為輸入電壓紋波的峰峰值。
 
對(duì)于100mV的ΔVIN,CIN為1.9µF,所以選擇C1為2.2µF/25V,C2為1.1µF/25V。
 
反饋補(bǔ)償
 
Buck-boost轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)在右半平面存在一個(gè)零點(diǎn),可用式12計(jì)算:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
本應(yīng)用中,fRHPZ在37.8kHz處,為了提供充分的相位裕量,保持環(huán)路穩(wěn)定,在-20dB/十倍頻程時(shí),整個(gè)環(huán)路增益應(yīng)在RHP零點(diǎn)頻率的1/5之前達(dá)到0dB,由此可得截止頻率fC為7.56kHz。輸出電容和負(fù)載等效輸出阻抗會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn):
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
其中,RO為負(fù)載等效阻抗,由下式確定:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
從式14可得fP1 = 4.7kHz。
 
接下來(lái)選擇補(bǔ)償元件R10和C12,它們需要在極點(diǎn)頻率fP1處產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn),并調(diào)整fP1處的環(huán)路增益,使之在fC達(dá)到0dB。
 
利用式15計(jì)算R10:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
從式15可得R10 = 341Ω,此處R10選擇301Ω電阻;GM是內(nèi)部跨導(dǎo)放大器的增益。
 
相應(yīng)地,C12可以計(jì)算如下:
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
 
從式16可得C12 = 0.11µF,此處選用0.1µF電容。
 
數(shù)字PWM調(diào)光
 
MAX16834內(nèi)部有一個(gè)用于PWM調(diào)光的MOSFET驅(qū)動(dòng)器,它可以接受1.5V至5V的邏輯高電平PWM信號(hào),信號(hào)頻率從直流到20kHz,通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)LED亮度。
 
NDRV驅(qū)動(dòng)器和跨導(dǎo)放大器輸出由PWM信號(hào)控制,PWM信號(hào)為高時(shí),NDRV使能,跨導(dǎo)放大器的輸出端連接到COMP引腳;信號(hào)為低時(shí),NDRV被禁止,跨導(dǎo)放大器的輸出端斷開(kāi),COMP端連接到PWM比較器反相輸入端,該端為CMOS輸入,可忽略其從補(bǔ)償電容C12吸收的漏電流,故C12上電荷將保持,直到PWM變高。一旦信號(hào)變?yōu)楦唠娖?,NDRV將使能,放大器輸出又連接到COMP端,從而快速建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
 
LED開(kāi)路保護(hù)
 
如果空載或發(fā)生LED開(kāi)路故障,boost轉(zhuǎn)換器將會(huì)產(chǎn)生很高的輸出電壓,該轉(zhuǎn)換器可在發(fā)生這種高電壓時(shí)關(guān)閉,電壓門限通過(guò)R11和R12設(shè)定。R11和R12的分壓點(diǎn)接到IC的OVP引腳,當(dāng)該引腳電壓達(dá)到1.435V (典型值)時(shí),轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉。本設(shè)計(jì)中,R11和R12設(shè)定的LED開(kāi)路保護(hù)點(diǎn)為輸出電壓達(dá)到17.2V。
 
用MAX16834評(píng)估板實(shí)現(xiàn)buck-boost轉(zhuǎn)換器
 
MAX16834評(píng)估板上裝配了boost轉(zhuǎn)換器,可以通過(guò)增減下列元件,將其配置為buck-boost轉(zhuǎn)換器:
 
  • 移除電阻R4、R8。
  • 把電阻R3換成0Ω。
  • 按照BOM說(shuō)明安裝元件。
 
電路波形和性能數(shù)據(jù)
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
圖3. N2柵極驅(qū)動(dòng)電壓
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
圖4. N2漏極電壓
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
圖5. N2開(kāi)關(guān)電流波形
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
圖6. LED電壓
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
圖7. PWM調(diào)光占空比為50%時(shí)的LED電流波形
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
圖8. PWM調(diào)光占空比為90%時(shí)的LED電流波形
 
采用MAX16834設(shè)計(jì)buck-boost LED驅(qū)動(dòng)器
圖9. PWM調(diào)光占空比為10%時(shí)的LED電流波形
 
上電順序
 
  • 將4只串聯(lián)的WLED的陽(yáng)極連接到LED+焊盤,陰極連接到LED-焊盤。
  • 輸入電源連接到VIN和PGND焊盤之間。
  • 將邏輯高電平為1.5V至5V的PWM信號(hào)(頻率范圍為100Hz至200kHz)連接到PWMDIM和SGND焊盤之間。
  • 改變PWM信號(hào)占空比檢驗(yàn)LED的亮度變化。
 
本文轉(zhuǎn)載自Maxim。
 
 
 
 
 
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