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大电流/高速 LED 驱动器给 PWM 调光带来了突破性的改革

来源:    编辑:    发布时间:2021-01-15 06:56:52    浏览量:

凌力尔特企业 Josh Caldwell

引言 ??????? 从 DLP 投影机中的大电流 LED 到大功率激光二极管,在很多照明应用中,都采用了能产生稳定的大电流脉冲功率驱动器,例如:在高端视频投影机中,大功率 LED 用来产生彩色照明。

在这类投影机中,RGB LED 需要精确的调光控制,以实现准确的色彩混合,在这种情况下,可能需要提供比简单的 PWM 调光更强的控制能力。

一般情况下,为了实现色彩混合所需要的宽动态范围,LED 驱动器必须能在两种完全不同的稳定峰值电流状态之间快速切换,并同时进行 PWM 调光,而且不会造成任何问题。

LT3743 能满足这些苛刻的准确度和速度要求。

??????? LT3743 是一种同步降压型 DC/DC 控制器,它采用固定频率、平均电流模式控制方式,通过一个与电感器串联的检测电阻器准确地调节电感器电流。

在 0V 至(VIN – 2V) 的输出电压范围内,LT3743 以 ±6% 的准确度调节任何负载的电流。

??????? 通过将准确的模拟调光 (高和低状态) 和 PWM 调光相结合,LT3743 实现了精确、宽范围的 LED 电流控制。

模拟调光通过 CTRL_L、CTRL_H 和 CTRL_T 引脚控制;PWM 调光则通过 PWM 和 CTRL_SEL 引脚控制。

LT3743 独特地采用了外部开关型负载电容器,因此能实现高和低模拟状态的快速转换,从而允许 LT3743 在几微秒的时间内改变稳定的 LED 电流值。

开关频率可以利用一个外部电阻器在 200kHz 至 1MHz 范围内设定,而且可同步至一个 300kHz 至 1MHz 的外部时钟。

图 1:基本的开关型电容器拓扑 VOUT FOR IREG DETERMINEDBY CTRL_H:用来产生 IREG 的 VOUT,由 CTRL_H 决定 LED LOAD:LED 负载 VOUT FOR IREG DETERMINED BY CTRL_L:用来产生 IREG 的 VOUT,由 CTRL_L 决定 开关型输出电容器拓扑 ??????? 在传统的稳流器中,负载两端的电压存储在输出电容器中。

如果负载电流突然变化,那么输出电容器中的电压必须充电或放电,以匹配新的稳定电流。

转换时,对负载中的电流控制欠佳,从而导致了缓慢的负载电流响应时间。

??????? LT3743用一种独特的开关型输出电容器拓扑解决了这个问题,该拓扑实现了超快的负载电流上升和下降时间。

这种拓扑的基本理念是,LT3743 充当稳定电流源,驱动负载。

就给定电流而言,负载两端的压降存储在第一个开关型输出电容器中。

当需要不同的稳定电流状态时,第一个输出电容器就关断,而第二个电容器则接通。

这使每个电容器都能存储与想要的稳定电流相对应的负载压降。

???????? 图 1 显示了具有各种控制引脚的基本拓扑。

PWM 和 CTRL_SEL 引脚是数字控制引脚,决定稳定电流的状态。

CTRL_H 和 CTRL_L 引脚是模拟输入,具有 0V 至 1.5V 的满标度范围,可在电流检测电阻器两端产生 0mV 至 50mV 的稳定电压。

图 2:LED 电流 PWM 和 CTRL_SEL 调光 INDUCTOR CURRENT:电感器电流 LED CURRENT:LED 电流 图 3:采用开关型输出电容器的 24V、20A LED 驱动器 20A MAXIMUM:20A 最大值 THREE IN PARALLEL:3 个并联 ??????? 图 2 示显示了对应于各种不同的 PWM 和 CTRL_SEL 引脚状态的时序波形。

当 PWM 为低电平时,所有切换都终止,两个输出电容器都与负载断接。

?????? 尽管 LT3743 可以配置为采用开关型输出电容器,但它适用于任何传统的模拟和/或 PWM 调光电路。

开关周期同步 ??????? LT3743 将所有切换边沿同步至 PWM 和 CTRL_SEL 的上升沿。

就周期性或非周期性 PWM 调光脉冲而言,同步使系统设计师能自由地使用不同的脉冲宽度和占空比。

就大电流 LED 驱动器而言,在从零电流或小电流状态恢复至大电流状态时,这是一种必不可少的特色。

无论何时,只要 CTRL_SEL 或 PWM 信号变高,就重新启动时钟,这样电感器电流就会马上开始斜坡上升,而不必等待时钟的上升沿。

没有同步时,时钟脉冲沿和 PWM 脉冲沿的相位关系是不受控制的,有可能在 LED 光输出中引起可见抖动。

当在 SYNC 引脚应用一个外部时钟时,开关周期在 8 个开关周期内重新同步至该外部时钟。

一款采用开关型输出电容器、面向高端 DLP 投影机的 24V、20A LED 驱动器 ??????? 高端 DLP 投影机要求最高质量的图像和彩色重现。

为了实现高的彩色准确度,各个 LED 的彩色偏差都要通过与其他两种彩色 LED 色彩的混合来校正。

例如:当红光 LED 处于满电流导通状态时,蓝光和绿光 LED 以低电流值接通,这样它们的色彩就可以混合,以产生准确的红光。

这种方法要求能在相对较低 (约 2A) 和相对较高 (约 20A) 的 LED 电流之间快速转换,以保持 PWM 调光脉冲沿。

图 3 显示了一款专供高端 DLP 投影机使用的 24V/20A LED 驱动器。

??????? 相对较低的 450kHz 开关频率允许使用非常小的 1.0uH 电感器。

在 25% 纹波电流时,大电流状态和小电流状态的转换时间约为 2us。

1mF 的大输出电容器存储了两种不同电流状态下 LED 两端的压降,并在 MOSFET 调光开关接通时,提供瞬时电流。

就实现快速 LED 电流转换而言,采用几个并联的低 ESR 电容器是至关重要的。

图 4:0A 至 2A 至 20A 的 LED 电流阶跃 /DIV:每格 0A TO 2A TO 20A LED CURRENT STEP:0A 至 2A 至 20A LED 电流阶跃 ? 图 5:采用绿光 LED 时,12V、20A PWM 调光的效率 EFFICIENCY:效率 PWM DIMMING DUTY CYCLE:PWM 调光占空比 ? 图 6:具限流并联输出的 6V 至 36V 输入、2A LED 驱动器 CONTROL INPUT:控制输入 MAXIMUM:最大值 图 7:0A 至 2A 限流并联输出 PWM 调光 /DIV:每格 ??????? 稳定的大电流和小电流由 VREF 引脚与 CTRL_L 和 CTRL_H 引脚之间的分压器设定。

VREF 引脚上的 ±2%、2V 基准还用来向连接到 CTRL_T 引脚的过热减额电路 (参见后面“过热时降低 LED 电流”一节) 提供基准信号。

?????? 为了减小可能较大的启动电流,LT3473 运用了一种独特的软起动电路,以节制稳定电流,从而在软起动引脚充电至 1.5V 时,提供全驱动。

为了最大限度地缩短不同电流值转换的时间,LT3743 对每种电流值都提供了单独的补偿,这样电流控制环路就可以尽快回复到稳定工作状态。

图 4 显示了从 0A 至 2A 至 20A 的 LED 电流阶跃。

在宽 PWM 占空比范围内提供高效率 ?????? 在便携式 DLP 投影机中,功耗是一个至关重要的设计参数。

与目前市场上很多并联型大电流 LED 驱动器不同,LT3743 在很宽的 PWM 占空比范围内具有非常高的效率。

通过仅向负载提供功率,而不是将功率分流或给输出电容器充电,常见的传统 PWM 调光驱动器中损失的大多数能量都能节省下来。

图 5 显示以 0A 至 20A 的电流在整个占空比范围内驱动一个绿光 LED 和 VIN = 12V 时的效率。

图8:具开关型阴极 PWM 调光的 6V 至 30V 输入、20A LED 驱动器 CONTROL INPUT:控制输入 MAXIMUM:最大值 THREE IN PARALLEL:3 个并联 停机和准确启动 ??????? 当提供大的负载电流时,正确工作所需的电源欠压闭锁 (UVLO) 迟滞量在很大程度上取决于电路板布局。

为了实现最大的灵活性,LT3743 纳入了一个具 5.5uA 电流源的准确启动门限,当 EN/UVLO 引脚电压低于 1.55V 时,该电流源的电流流入该引脚。

利用一个接在输入电源和地之间的分压器,可给系统增加任意迟滞量。

为了在便携式应用中节能,当 EN/UVLO 引脚电压低于 0.5V 时,LT3743 将彻底停用,且电源电流降至低于 1uA。

过热时降低 LED 电流 ??????? 在大电流负载情况下,要保护昂贵的大电流 LED 并防止在整个系统范围内造成损坏,恰当的热量管理是至关重要的。

在大和小控制电流情况下,LT3743 都用 CTRL_T 引脚来降低负载中有效的稳定电流。

当 CTRL_T 引脚电压低于 CTRL_L 或 CTRL_H 引脚上的控制电压时,稳定电流将减小。

过热减额用连接在 VREF 引脚和地之间随温度而变化的电阻分压器来设定。

输出电压保护 ??????? 要防止损坏昂贵的投影机 LED, 输出电压保护很重要。

LT3743 通过 FB 引脚为输出提供一个稳定电压点。

为了简化系统设计,LT3743 采用了一个内部 1V 基准,从而在 FB 引脚电压达到 900mV 时,缓慢降低稳定电流。

强大的栅极驱动器 ?????? 为了提供足够的驱动能力,并降低大电流功率 MOSFET 中的开关损耗,LT3743 采用了非常强大的开关 MOSFET 驱动器。

LG 和 HG PMOS 上拉驱动器的导通电阻通常为 2.5Ω。

LG 和 HG NMOS 下拉驱动器的导通电阻一般低于 1.3Ω。

因为导通电阻非常低,所以两个大电流 MOSFET 可以并联起来,用在超过 20A 的应用中。

目前市场上大多数 LED 驱动器都没有为调光 MOSFET 提供足够的栅极驱动能力,因而需要一个额外的外部栅极驱动器。

LT3743 在 PWMGL 和 PWMGH 驱动器中集成了这种驱动器,并具有 2Ω 的典型 NMOS 下拉电阻和 3.7Ω 的典型 PMOS 上拉电阻,以驱动任何 5V 调光 MOSFET。

传统的 PWM 调光 ???????? LT3743 适用于任何传统的 PWM 调光方法。

同类 LED 驱动器采用的并联型输出调光浪费能量,且在 LED 占空比低于约 50% 时效率不佳。

由于 LT3743 有两个稳定电流值,因此当使用分路器时,稳定电流可降至零。

这使得即使在低 LED 占空比时,也能提供非常高的效率。

???????? 图 6 显示了一个配置为限流并联输出的 2A LED 驱动器。

请注意:CTRL_L 引脚接地,PWMGL 引脚用来驱动并联 MOSFET,而CTRL_SEL 引脚用于调光。

由于 CTRL_L 引脚接地,因此当 CTRL_SEL 引脚为低电平时,使用分路器,而且电感器中的电流稳定于 0A。

当 CTRL_SEL 引脚为高电平时,并联 MOSFET 关断,且稳定电流由 CTRL_H 引脚上的电压决定。

图 7 显示了采用 12V 输入的限流并联型 PWM 调光。

图 9:0A 至 20A 开关型阴极 PWM 调光 除了分路器配置,LT3743 还可配置为驱动与 LED 阴极串联的调光 MOSFET。

当不需要多种电流状态时,这是首选的 PWM 调光方法。

图 8 说明了具开关型阴极 PWM 调光的 6V 至 30V、20A LED 驱动器。

图 9 显示了具 0A 至 20A 电流阶跃和 100:1 调光比的开关型阴极 PWM 调光。

结论 ??????? LT3743 产生超快的大电流 LED 上升时间,同时提供准确的电流调节。

该器件能支撑多种电流状态,通过允许 LED 色彩非常容易地混合,可满足用于剧院的高性能 DLP 投影机的需求。

除了速度快,LT3743 的开关型电容器拓扑还允许使用紧凑和低值电感器,从而减小了所占用的电路板面积。

其他特点包括开关周期同步、过压保护、高效率和非常容易地适应各种不同的应用需求。

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2.电感器的国际标准单位是: H(亨利),mH(毫亨),uH(微亨),nH(纳亨);


3.电感器的单位换算是: 1H=103mH=106u H=109n H;1n H=10-3u H=10-6mH=10

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