基于MAX16821的6A降压型LED驱动器设计

　概述

　　本参考设计针对便携式投影仪的6A降压型LED驱动器，参考设计基于PWM HB LED驱动器MAX16821，该电路可驱动一个LED;驱动RGB三色LED时需要使用三片MAX16821。

　　LED驱动器规格

　　输入电压范围(VIN)：10V至15V

　　输出电压(VLED)：4.5V至6V

　　输出电流(ILED)：1.5A至6A，可模拟控制

　　模拟控制电压：1.1V至2.8V，对应1.5A至6A

　　最大LED导通占空比：50%

　　最大LED电流上升/下降时间：< 1µs

　　最大LED电流纹波：6A时，< 15%

　　输入

　　VIN (J1和J2接VIN+，J3和J4接GND)：10V至15V输入电源。

　　通/断控制(J8)：浮空或连接到+5V，使能驱动器;J8短路时禁止电路板工作。

　　PWM输入(J7)：PWM调光输入，连接一个幅度为3V至5V的PWM信号。为了保证PWM输入能够驱动Q1和Q7，信号源在驱动300pF负载时，上升/下降时间应小于500ns。由于输出信号的上升/下降时间控制在1µs以内，任何周期为1µs的3至4倍的PWM信号都可以使用。

　　LED电流控制(J6)：LED电流调节输入。加载1.1V至2.8V电压，可以在1.5A至5A范围调整LED电流。

　输出

　　LED+ (J9、J10)：接LED阳极。

　　LED- (J11、J12)：接LED阴极。

　　电感电流输出(J5)：提供一个与LED电流成比例的信号。OUTV电压为R9电压的135倍。

　　图1. MAX16821 LED驱动器电路板

　　图2. LED驱动器电路板原理图

　电路说明

　　LED驱动器对10V至15V输入电源电压进行降压转换，恒流驱动一个正向导通电压为4.5V至6V的LED。使用MAX16821 PWM HB LED驱动器实现降压转换。由于平均电感电流等于LED电流，可以通过控制平均电感电流恒流驱动LED，开关频率通过电阻R6 (200kΩ)设置为300kHz。

　　电路包含两个控制环路：内部电流环路根据外部电压环路的输出控制电感电流;外部电压环路设置内部电流环路，最终控制LED电流。外部电压环路监测OUTV引脚，U1的输出产生EAOUT信号。EAOUT信号控制内部电流环路，即控制电感电流。

　　模拟LED电流控制

　　运算放大器U1接受1.1V至2.8V的模拟输入，驱动MAX16821的SENSE+输入引脚，在1.5A至6A范围内调节LED电流。当LED电流达到6A时，连接到U1的参考电压和电阻分压器在U1输出端产生大约20mV (高于VOL的最差值)的电压。2.8V的模拟控制输入产生该输出电压。LED电流上升到6A时，R1和R22构成的电阻分压器将OUTV的电流检测信号分压，产生一个很小的电压叠加在U1输出端;由R1和R22生成的电压等于SENSE+输入端100mV的外环参考电压。注意，OUTV信号是R9、R18电流检测信号放大后的电压，放大倍数为135V/V。随着模拟控制输入电压从2.8V开始下降，U1的输出电压从20mV开始线性增大。U1输出电压的升高，使SENSE+输入在较低的LED电流下达到100mV。当模拟控制输入降至大约1.1V时，U1输出增加到80mV，LED电流降至1.5A。

　　PWM调光

　　在PWM处于关闭状态时，LED输出端的MOSFET Q9导通，LED短路。LED电流降至零，具体取决于Q1的导通时间(本设计中远远小于1µs)。PWM处于关闭期间始终保持电感电流。PWM开始导通时，Q1关闭，电感电流对输出电容充电。输出电压一旦达到LED的起始导通电压，LED电流开始上升。LED电流从0A上升到满幅值的时间取决于几个因素：电感电流、输出电容以及LED的正向导通电压的变化。本参考设计仅在LED电流设定为6A时满足< 1µs LED开启时间的要求。如需在降低的电流时得到快速的LED开启时间，可增大电感值并减小输出电容。

　　反馈补偿

　　电阻R2和R23限制高频电流环路的增益，补偿次级谐波振荡。在电流环路传输函数中远远低于单位增益频率的位置设置一个零点，既可以保证在低频区有足够的增益，又可以保证电感电流的误差非常小。利用C1、C19构建该零点。在PWM关闭、导通时，Q1和Q2交替连接到RC网络，实现补偿。本设计可保持C1、C19的电量，使PWM响应更加迅速。

　　由于直接测量电感电流，驱动电路的传输函数中没有输出极点。外部电压环路简化成一个单极点系统，而电压误差放大器在设定频率范围内确定这唯一极点。为了避免两个反馈环路相互干扰，C21和C22将外部环路的单位增益频率降至电流环路单位增益频率的十分之一。Q7和Q10保持补偿电容的电荷，保证在PWM脉冲变化时，电压误差放大器的输出能即刻切换至所要求的数值。电阻R24、R25可避免Q7和Q10状态变化产生的电荷注入而导致的C21、C22充/放电。

　LED电流上升/下降时间

　　本设计要求在PWM工作产生6A LED电流时，LED电流的上升/下降时间保持在1µs以内。这就要求使用较小的输出滤波电容和较大电感，在满足LED电流最大纹波的要求的前提下满足上述条件。PWM处于关闭状态时，Q9导通，建立可编程的电感电流回路。如果LED电流设置为6A，电感电流将由MAX16821调整在6A。输出再次导通时，电感电流对输出电容C8充电。C8的充电速率决定了LED电流的上升时间，基于这一点计算C8的取值。因为Q9的放电速度远快于C8，所以LED电流的下降时间远远小于1µs。

　　电路波形

　　图3. 参考设计测试数据：LED电压(CH1)、LED电流(CH2)和OUTV电压(CH3)

　　图4. 参考设计测试数据：LED电压(CH1)、LED电流(CH2)和CLP电压(CH3)

　　图5. LED电压(CH1)和LED电流(CH2)上升时间的测试数据

　　图6. LED电压(CH1)和LED电流(CH2)下降时间的测试数据

　　测试参数

　　温度测量

• 　　VIN：10V
• 　　IOUT：6A
• 　　TA：25°C
• 　　电路板温度：+50°C
• 　　Q3、Q4和Q9温度：+52°C
• 　　U1表面温度：+47.5°C
• 　　L1磁芯温度：+75°C (电流为5.8A时，L1温度高出环境温度40°C)

　　上电顺序

• 　　在VIN+和GND之间连接0至20V、5A电源(PS1)。
• 　　在J6 (V_CONTROL)连接0至5V电源(PS2)。
• 　　将额定值大于6A的LED通过尽可能短的连线连接到LED+和LED-，以降低引线电感。如果需要较长连线，请务必使用双绞线连接。
• 　　J5、J8保持开路。
• 　　打开PS2电源，输出1.1V。
• 　　逐渐增大PS1电源输出，达到10V。LED被点亮，工作在1.5A连续电流。
• 　　将一个幅度为3V至5V、30%占空比的信号连接至PWM引脚。LED电流将由PWM信号控制通、断。
• 　　将PS2输出电压从1.1V调整到2.8V。在PWM处于导通期间，LED电流从1.5A上升到6A。