一種基于LT3743 LED驅(qū)動器的新型調(diào)光方案詳解

在許多照明應(yīng)用中，人們都采用了能夠產(chǎn)生已調(diào)大電流脈沖的功率驅(qū)動器，從DLP投影機(jī)中的大電流 LED到高功率激光二極管等等。例如：在高端視頻投影機(jī)中，高功率LED用于產(chǎn)生彩色照明。這些投影機(jī)中的RGBLED需要精準(zhǔn)的調(diào)光控制以實現(xiàn)準(zhǔn)確的彩色混合──在該場合中，除了簡單的PWM 調(diào)光以外，還能夠提供更多的控制功能。通常，為了實現(xiàn)彩色混合中所要求的寬動態(tài)范圍，LED驅(qū)動器必須要能夠在兩種完全不同的已調(diào)峰值電流狀態(tài)之間快速切換，并疊加PWM調(diào)光而不造成任何損壞。LT3743能夠滿足這些苛刻的準(zhǔn)確度和速度要求。 　　LT3743是一款同步降壓型DC/DC控制器，它運用固定頻率、平均電流模式控制，以通過一個與電感器相串聯(lián)的檢測電阻器準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)電感器電流。在一個0V至“低于輸入電壓軌2V”的輸出電壓范圍內(nèi)，LT3743能夠以±6%的準(zhǔn)確度來調(diào)節(jié)任意負(fù)載中的電流。 　　通過把準(zhǔn)確的模擬調(diào)光(高光度狀態(tài)和低光度狀態(tài))與PWM調(diào)光組合起來，實現(xiàn)了精準(zhǔn)、寬范圍的LED電流控制。模擬調(diào)光通過CTRL_L、CTRL_H和CTRL_T引腳來控制;PWM調(diào)光則通過PWM和CTRL_SEL引腳來控制。通過采用在外部進(jìn)行開關(guān)操作的負(fù)載電容器這種獨特的做法，LT3743實現(xiàn)了高和低模擬狀態(tài)之間的快速變換，從而能夠在幾μs的時間內(nèi)改變已調(diào)LED電流水平。開關(guān)頻率可以在200kHz至1MHz的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置(通過采用一個外部電阻器)和同步至一個頻率范圍為300kHz至1MHz的外部時鐘。 　　開關(guān)輸出電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 　　在傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器中，負(fù)載兩端的電壓存儲于輸出電容器之中。如果負(fù)載電流突然改變，則輸出電容器中的電壓必須進(jìn)行充電或放電以與新的已調(diào)電流相匹配。在轉(zhuǎn)換期間，負(fù)載中的電流未得到良好的控制，因而導(dǎo)致了緩慢的負(fù)載電流響應(yīng)時間。 　　LT3743通過采用一種獨特的開關(guān)輸出電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決了這一問題，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)了超快的負(fù)載電流上升和下降時間。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)背后的基本概念是：LT3743起一個已調(diào)電流源的作用，負(fù)責(zé)向負(fù)載提供驅(qū)動電流。對于某個給定的電流，負(fù)載兩端的電壓降存儲于第一個開關(guān)輸出電容器中。當(dāng)需要一種不同的已調(diào)電流狀態(tài)時，將第一個輸出電容器關(guān)斷，并接通第二個電容器。這使得每個電容器能夠存儲與期望已調(diào)電流相對應(yīng)的負(fù)載電壓降。 　　圖1示出了具有各種控制引腳的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PWM和CTRL_SEL引腳為數(shù)字控制引腳，用于確定已調(diào)電流的狀態(tài)。CTRL_H和CTRL_L引腳是具有一個0V至1.5V全標(biāo)度范圍的模擬輸入，可在電流檢測電阻器兩端產(chǎn)生一個0mV至50mV的已調(diào)電壓。 圖1：基本的開關(guān)電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 　　圖2示出了對應(yīng)于PWM和CTRL_SEL引腳各種不同狀態(tài)的定時波形。當(dāng)PWM為低電平時，所有的開關(guān)操作將被終止，而且兩個輸出電容器均與負(fù)載斷接。 圖2：LED電流PWM和CTRL_SEL調(diào)光 　　盡管LT3743可以采用開關(guān)輸出電容器來配置，但它能夠很容易地適應(yīng)任何傳統(tǒng)的模擬和/或PWM調(diào)光方案。 　　開關(guān)周期同步 　　LT3743 使所有的開關(guān)脈沖邊沿同步至PWM和CTRL_SEL上升沿。同步賦予了系統(tǒng)設(shè)計師采用任意周期或非周期PWM調(diào)光脈沖寬度和占空比的自由度。對于大電流LED驅(qū)動器而言，這是從零電流或低電流狀態(tài)恢復(fù)至高電流狀態(tài)過程中必不可少的特點。通過在CTRL_SEL或PWM信號變至高電平時重新起動時鐘，電感器電流將立即開始斜坡上升，而無須等待一個時鐘上升沿。未采用同步時，時鐘脈沖沿和PWM脈沖沿的相位關(guān)系將不受控制，因而有可能在 LED 光輸出中引起明顯的抖動。當(dāng)采用一個具SYNC引腳的外部時鐘時，開關(guān)周期將在8個開關(guān)周期之內(nèi)重新同步至外部時鐘。 　　一款適合高端DLP投影機(jī)、采用開關(guān)輸出電容器的24V、20ALED驅(qū)動器。高端DLP投影機(jī)要求極高質(zhì)量的圖像和彩色重現(xiàn)。為了實現(xiàn)高的彩色準(zhǔn)確度，各個LED當(dāng)中的彩色偏差是通過混入其他兩個彩色LED的色彩來校正的。例如：當(dāng)紅光LED處于滿電流導(dǎo)通狀態(tài)時，藍(lán)光和綠光LED將以低電流水平接通，這樣它們就能夠被混入以產(chǎn)生準(zhǔn)確的紅光。這種方法需要具備在較低(約2A)和較高(約20A)LED電流之間進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換的能力，以保持PWM調(diào)光脈沖沿。圖3示出了一款專供高端DLP投影機(jī)使用的24V/20ALED驅(qū)動器。 圖3：采用開關(guān)輸出電容器的24V/20ALED驅(qū)動器 　　450kHz的較低開關(guān)頻率允許使用一個非常小的1.0μH電感器。在25%紋波電流條件下，高電流狀態(tài)與低電流狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時間大約為2μs。1mF的大輸出電容器存儲了兩種不同電流狀態(tài)下LED兩端的電壓降，并提供了MOSFET調(diào)光開關(guān)接通時的瞬時電流。對于實現(xiàn)快速LED電流轉(zhuǎn)換來說，采用幾個并聯(lián)的低ESR電容器是至關(guān)緊要的。 　　已調(diào)高電流和低電流由連接在VREF引腳與CTRL_L和CTRL_H引腳之間的分壓器來設(shè)定。VREF引腳上的±2%、2V基準(zhǔn)還用于提供溫度降額電路施加在CTRL_T引腳上的基準(zhǔn)信號(見下文中的“LED電流的熱降額”)。 　　為了減小有可能很大的啟動電流，LT3473采用了一種可壓制已調(diào)電流的獨特軟起動電路，從而在軟起動引腳充電至1.5V時提供全驅(qū)動。為了最大限度地縮短不同電流水平之間的轉(zhuǎn)換時間，LT3743運用了針對每種電流水平的單獨補償，這樣電流控制環(huán)路就可以盡可能快地恢復(fù)穩(wěn)態(tài)操作。圖4示出了從0A～2A至20A的LED電流階躍。 圖4：0A~2A至20A的LED電流階躍 　　寬PWM占空比范圍內(nèi)的高效率 　　在便攜式DLP投影機(jī)中，功率耗散是一個極其重要的設(shè)計參數(shù)。與目前市面上銷售的許多并聯(lián)型大電流LED驅(qū)動器不同，LT3743在一個寬PWM占空比范圍內(nèi)擁有卓越的效率。通過只把功率輸送至負(fù)載，而不是將功率旁路掉或者給輸出電容器充電，常見的傳統(tǒng)PWM調(diào)光型驅(qū)動器中損失的大部分能量可以節(jié)省下來。圖5示出了當(dāng)VIN=12V、并以0A至20A電流驅(qū)動一個綠光LED時，整個占空比范圍內(nèi)的效率變化情況。 圖5：12V、20APWM調(diào)光效率(采用一個綠光LED) 　　停機(jī)和精準(zhǔn)啟用 　　當(dāng)輸送大負(fù)載電流時，執(zhí)行正確操作所需的電源欠壓閉鎖(UVLO)遲滯值在很大程度上取決于電路板布局。為了獲得最大的靈活性，LT3743具有一個精準(zhǔn)的啟用門限，而且在EN/UVLO引腳電壓低于1.55V時將有一個5.5μA電流源流入該引腳。在輸入電源和地之間使用一個分壓器，即可給系統(tǒng)增加任意遲滯值。為了在便攜式應(yīng)用中實現(xiàn)節(jié)能，當(dāng)EN/UVLO引腳電壓低于0.5V時，LT3743將被完全停用，且電源電流將減小至1μA以下。 　　LED電流的熱降額 　　當(dāng)存在任何大電流負(fù)載時，對于保護(hù)昂貴的大電流LED和避免發(fā)生遍及整個系統(tǒng)的損壞而言，正確的熱管理是極為重要的。針對高和低控制電流，LT3743采用CTRL_T引腳來減小負(fù)載中的有效已調(diào)電流。當(dāng)CTRL_T引腳電壓低于CTRL_L或CTRL_H引腳上的控制電壓時，已調(diào)電流將被減小。溫度降額采用一個連接在VREF引腳和地之間的溫度相關(guān)電阻分壓器來設(shè)置。 　　輸出電壓保護(hù) 　　輸出電壓保護(hù)功能對于防止昂貴的投影機(jī)LED受損是很重要的。LT3743利用FB引腳來提供一個針對輸出的已調(diào)電壓點。出于簡化系統(tǒng)設(shè)計的目的，LT3743采用了一個內(nèi)部1V基準(zhǔn)，以在FB引腳電壓達(dá)到900mV時緩緩地減小已調(diào)電流。 　　強(qiáng)大的柵極驅(qū)動器 　　為了提供足夠的驅(qū)動能力并減少大電流功率MOSFET中的開關(guān)損失，LT3743采用了非常強(qiáng)大的開關(guān)MOSFET驅(qū)動器。LG和HGPMOS上拉驅(qū)動器的接通電阻通常為2.5Ω。LG和HGNMOS下拉驅(qū)動器的接通電阻一般小于1.3Ω。在接通電阻如此之低的情況下，對于超過20A的應(yīng)用，可以將兩個大電流MOSFET并聯(lián)起來使用。目前市面上的大多數(shù)LED驅(qū)動器未提供調(diào)光MOSFET所需的足夠柵極驅(qū)動能力，因而需要增設(shè)一個外部柵極驅(qū)動器。LT3743 將之集成在PWMGL和PWMGH驅(qū)動器中，并具有一個典型接通電阻為2Ω的NMOS下拉驅(qū)動器和一個典型接通電阻為3.7Ω的PMOS上拉驅(qū)動器，以驅(qū)動任何5V調(diào)光MOSFET。 　　傳統(tǒng)的PWM調(diào)光 　　LT3743適應(yīng)任何傳統(tǒng)的PWM調(diào)光方法。同類競爭LED驅(qū)動器所采用的并聯(lián)輸出調(diào)光會造成能量的浪費，而且在LED占空比低于約50%時效率欠佳。由于LT3743具有兩種電流調(diào)節(jié)水平，因此當(dāng)分路被占用時已調(diào)電流可下降至零。即使在低LED占空比條件下，這也能提供出色的效率。 　　圖6示出了一款配置有一個電流受限并聯(lián)輸出的2ALED驅(qū)動器。請注意：CTRL_L引腳連接至地，PWMGL引腳用于驅(qū)動并聯(lián)MOSFET，而CTRL_SEL引腳則用于調(diào)光。在CTRL_L引腳接地的情況下，當(dāng)CTRL_SEL引腳為低電平時，則分路被占用，而且電感器中的電流被調(diào)節(jié)于0A。當(dāng)CTRL_SEL引腳為高電平時，并聯(lián)MOSFET被關(guān)斷，且已調(diào)電流由CTRL_H引腳上的電壓來確定。圖7示出了采用一個12V輸入時的電流受限并聯(lián)PWM調(diào)光。 　　結(jié)論 　　LT3743實現(xiàn)了超快的大電流LED上升時間，并提供了準(zhǔn)確的電流調(diào)節(jié)。由于它具備支持多種電流狀態(tài)的能力，因此通過實現(xiàn)LED彩色的簡易混合而滿足了高性能影院級DLP投影機(jī)的要求。除了速度以外，通過允許使用一個緊湊型低值電感器，LT3743的開關(guān)電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還縮減了電路板的外形尺寸。其他特點包括開關(guān)周期同步、過壓保護(hù)、高效率以及輕松適應(yīng)各種應(yīng)用需求的能力。