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采用MAX16834设计buck-boost LED驱动器

Maxim Integrated

图1. MAX16834EVKIT用于实现参考设计的功能 放大+

该参考设计中，buck-boost转换器(以输入电压为参考)从7V至18V直流电源产生驱动4个白光LED (WLED)的350mA电流，设计采用MAX16834电流模式高亮度(HB) LED驱动器。

LED驱动器规范

  • 输入电压：7V至18V
  • 输入电压纹波：100mVP-P
  • LED电流：350mA
  • LED电流纹波：5% (最大值)
  • LED正向电压：3.5V (350mA时)
  • LED数量：4只(最大值)
  • 输出过压保护：17.2V

输入端

  • VIN、PGND：电源输入
  • PWMDIM、SGND：PWM调光输入

输出端

  • LED+：连接LED阳极至LED+
  • LED-：连接LED阴极至LED-
详情介绍

该参考设计中，buck-boost转换器(以输入电压为参考)从7V至18V直流电源产生驱动4个白光LED (WLED)的350mA电流，设计采用MAX16834电流模式高亮度(HB) LED驱动器。

LED驱动器规范

  • 输入电压：7V至18V
  • 输入电压纹波：100mVP-P
  • LED电流：350mA
  • LED电流纹波：5% (最大值)
  • LED正向电压：3.5V (350mA时)
  • LED数量：4只(最大值)
  • 输出过压保护：17.2V

输入端

  • VIN、PGND：电源输入
  • PWMDIM、SGND：PWM调光输入

输出端

  • LED+：连接LED阳极至LED+
  • LED-：连接LED阴极至LED-

图1. MAX16834EVKIT用于实现参考设计的功能
详细电路(PDF, 60.64kB)
图1. MAX16834EVKIT用于实现参考设计的功能

图2. LED驱动器原理图
图2. LED驱动器原理图

元件列表* (材料清单BOM)

Designator Quantity Description
C1, C7, C8 3 2.2µF, 25V X7R, ceramic capacitor (0805)
C2 1 2.2µF, 25V X7R, ceramic capacitor (0805)
C11 1 10µF, 16V X7R, ceramic capacitor (1206)
C3, C12, C14, C15 4 0.1µF, 16V X7R, ceramic capacitor (0603)
C13 1 1.5nF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
C16, C18 2 1nF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
Cx 1 100pF, 10V X7R, ceramic capacitor (0603)
D1 1 MAZS0680ML, 6.8V Zener diode, SSMINI
D2 1 B160B, 1A, 60V Schottky diode
L1 1 MMS1038-223ML, 22µH, 2.34A inductor
N1, N2 2 SI2318DS, 40V, 3A, n-channel MOSFET (SOT23)
R1 1 34kΩ ±1% resistor (0402)
R2 1 9.53kΩ ±1% resistor (0402)
R7 1 2.2kΩ ±1% resistor (0805)
R5 1 0.56kΩ ±1% resistor (0803)
R9 1 0.15Ω ±1% resistor (0603)
R10 1 310Ω ±1% resistor (0402)
R11 1 243kΩ ±1% resistor (0402)
R12 1 22.1kΩ ±1% resistor (0402)
R13 1 13.1kΩ ±1% resistor (0402)
R14 1 10kΩ ±% resistor (0402)
R15 1 11kΩ ±1% resistor (0402)
R16 1 23.2kΩ ±1% resistor (0402)
R17 1 26.7kΩ ±1% resistor (0402)
U1 1 MAX16834ATP+ 20-pin, 4mm x 4mm TQFN-EP

*元件标识与MAX16834评估板一致。

 

详细说明

将boost转换器输出负端连接到输入电源正端，构成buck-boost转换器(以输入电压为参考)。

在此设计一款buck-boost转换器(以输入电压为参考)，从7V至18V直流电源产生350mA电流，驱动4个白光LED (WLED) (每个WLED在350mA时的正向压降为3.5V)。MAX16834 HB LED驱动器集成了峰值电流模式控制器，工作于CCM (连续导通模式)，开关频率为495kHz。开关频率通过R15电阻(11kΩ)设置。

输入、输出电压变化时，MAX16834控制电感的峰值电流，保证LED的电流为350mA。检测LED回路的电流检测电阻两端的电压，然后将其在内部放大9.9倍，这样可以减小检测电阻的阻值，从而提高效率。经过放大的电压与R16和R17设定的基准电压进行比较，其差值由一个GM = 500µS的跨导放大器进行放大，输出信号在COMP引脚产生控制电压，此电压设置电流环路的基准，这样，电感电流检测电阻R9两端的电压峰值最终成为此控制电压。

转换器设计

转换器设计参数如下：

  • 输入电压范围：7V至18V
  • 输入电压纹波：100mVP-P
  • LED正向最大电压：14V (即4 x 3.5V)
  • LED电流：350mA
  • LED电流纹波：5% (最大值)
  • 开关频率：455kHz

按照式1计算N2的最大占空比：

式1.

其中，VLEDMAX是LED最大电压，VINMIN是最低输入电压，VD是二极管压降，VDS是FET开关导通时的平均压降。

本应用中，DMAX为0.69。

电感(L1)选择

选择电感，需要知道其电感量和峰值电流。峰值电感电流可用式2计算：

式2.

其中，ILAVG为平均电感电流，ΔIL为电感电流纹波，表示为平均电感电流的百分比：

式3.

允许电流纹波ΔIL为30%，代入已知参数，可以得到：

式4.

最小电感量可由式5计算：

式5.

其中，fSW为开关频率。考虑到20%的容差，可得LMIN = 17µH，此处选择22µH电感。

开关检流电阻(R9)

正常工作时，开关检流电阻两端的电压最大值不应高于250mV，如果检流电阻的电压达到300mV (典型值)，转换器将关断。R9上的电压决定了开关周期中导通脉冲的宽度，芯片内部提供了前沿屏蔽电路，可防止开关MOSFET提前关断。R9的计算如式6所示：

式6.

计算得到：R9 = 0.133Ω，这里R9选择0.15Ω。

斜率补偿电容(C13)

众所周知，在峰值电流模式控制中，CCM boost转换器的占空比超过50%时环路将出现不稳定，需要引入适当的斜率补偿，以消除由谐波分量引起的不稳定性。MAX16834具有内部斜坡发生器，用于斜率补偿。在每个开关周期开始时，斜坡电压复位，然后按外部电容C13设定的速率上升，C13由内部的100µA电流源进行充电，斜坡电压与R9两端的电压内部叠加。C13的计算如式7所示：

式7.

其中，VSLOPE为：

式8.

从式7和式8可以得到：C13 = 1.57nF，实际选取1.5nF电容。

LED检流电阻(R5)

利用式9计算R5：

式9.

在此应用中，取VREFI = 1.94V，得到：R5 = 0.56Ω。

滤波电容

输出电容COUT (C7与C8的并联电容)按式10计算：

式10.

其中，ΔVLED为输出电压纹波的最大峰峰值，它取决于最大电流纹波和此电流下LED的动态阻抗。为延长LED使用寿命并保证其色度，LED上的纹波电流应小于其平均电流的5%。本应用中，计算得到COUT为3µF，故电容C7、C8均选用2.2µF/50V。

由式11计算输入电容(C1、C2的并联电容)：

式11.

其中，ΔVIN为输入电压纹波的峰峰值。

对于100mV的ΔVIN，CIN为1.9µF，所以选择C1为2.2µF/25V，C2为1.1µF/25V。

反馈补偿

Buck-boost转换器的传递函数在右半平面存在一个零点，可用式12计算：

式12.

本应用中，fRHPZ在37.8kHz处，为了提供充分的相位裕量，保持环路稳定，在-20dB/十倍频程时，整个环路增益应在RHP零点频率的1/5之前达到0dB，由此可得截止频率fC为7.56kHz。输出电容和负载等效输出阻抗会产生一个极点：

式13.

其中，RO为负载等效阻抗，由下式确定：

式14.

从式14可得fP1 = 4.7kHz。

接下来选择补偿元件R10和C12，它们需要在极点频率fP1处产生一个零点，并调整fP1处的环路增益，使之在fC达到0dB。

利用式15计算R10：

式15.

从式15可得R10 = 341Ω，此处R10选择301Ω电阻；GM是内部跨导放大器的增益。

相应地，C12可以计算如下：

式16.

从式16可得C12 = 0.11µF，此处选用0.1µF电容。

数字PWM调光

MAX16834内部有一个用于PWM调光的MOSFET驱动器，它可以接受1.5V至5V的逻辑高电平PWM信号，信号频率从直流到20kHz，通过改变PWM信号的占空比调节LED亮度。

NDRV驱动器和跨导放大器输出由PWM信号控制，PWM信号为高时，NDRV使能，跨导放大器的输出端连接到COMP引脚；信号为低时，NDRV被禁止，跨导放大器的输出端断开，COMP端连接到PWM比较器反相输入端，该端为CMOS输入，可忽略其从补偿电容C12吸收的漏电流，故C12上电荷将保持，直到PWM变高。一旦信号变为高电平，NDRV将使能，放大器输出又连接到COMP端，从而快速建立稳定的工作状态。

LED开路保护

如果空载或发生LED开路故障，boost转换器将会产生很高的输出电压，该转换器可在发生这种高电压时关闭，电压门限通过R11和R12设定。R11和R12的分压点接到IC的OVP引脚，当该引脚电压达到1.435V (典型值)时，转换器将关闭。本设计中，R11和R12设定的LED开路保护点为输出电压达到17.2V。

用MAX16834评估板实现buck-boost转换器

MAX16834评估板上装配了boost转换器，可以通过增减下列元件，将其配置为buck-boost转换器：

  • 移除电阻R4、R8。
  • 把电阻R3换成0Ω。
  • 按照BOM说明安装元件。

电路波形和性能数据

图3. N2栅极驱动电压
图3. N2栅极驱动电压

图4. N2漏极电压
图4. N2漏极电压

图5. N2开关电流波形
图5. N2开关电流波形

图6. LED电压
图6. LED电压


图7. PWM调光占空比为50%时的LED电流波形


图8. PWM调光占空比为90%时的LED电流波形


图9. PWM调光占空比为10%时的LED电流波形

上电顺序

  • 将4只串联的WLED的阳极连接到LED+焊盘，阴极连接到LED-焊盘。
  • 输入电源连接到VIN和PGND焊盘之间。
  • 将逻辑高电平为1.5V至5V的PWM信号(频率范围为100Hz至200kHz)连接到PWMDIM和SGND焊盘之间。
  • 改变PWM信号占空比检验LED的亮度变化。