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長串LED boost驅動器(使用鋁電解電容)

? 2010年08月01日 11:20 ? 次閱讀
TV和顯示器背光、路燈、停車場照明經常使用長串LED,這類系統需要一個能夠產生高壓的電流驅動器。本參考設計利用MAX16834構建了一個這樣的驅動器,能夠獲得非常高的調光比。
該參考設計利用MAX16834構建一個boost LED驅動器,用于驅動長串LED。適用于大尺寸LCD TV或顯示器的LED背光、路燈以及停車場照明。

VIN:24VDC ±5% (1.22A)
VLED配置:23個串聯LED (75V),350mA。
調光:脈沖導通時間可低至3.33µs (調光時鐘頻率 = 100Hz時,調光比為3000:1)。

注:已搭建該設計電路并經過測試,但未進行詳細測試,具體應用可能存在細微差別,有待改進。

圖1. LED驅動器電路板
詳細圖片(PDF,3.53MB)
圖1. LED驅動器電路板

圖2. LED驅動器原理圖
詳細圖片(PDF,295kB)
圖2. LED驅動器原理圖

圖3. LED驅動器布局
詳細圖片(PDF,2.85MB)
圖3. LED驅動器布局

圖4. 材料清單
詳細圖片(PDF,1.3MB)
圖4. 材料清單

圖5. 設計表格,如需獲取該電子表格用于您的設計,請與當地的Maxim銷售辦事處聯系。
詳細圖片(PDF,900kB)
圖5. 設計表格,如需獲取該電子表格用于您的設計,請與當地的Maxim銷售辦事處聯系。

圖6. 漏極電壓和檢流電阻的電壓(50mΩ)
圖6. 漏極電壓和檢流電阻的電壓(50mΩ)

圖7. 漏極電壓的上升時間
圖7. 漏極電壓的上升時間

圖8. 輸出電壓(交流耦合)和檢流電阻的電壓
圖8. 輸出電壓(交流耦合)和檢流電阻的電壓

圖9. 高調光比(導通時間 < 4µs)
圖9. 高調光比(導通時間 < 4µs)

圖10. 電感溫度的上升,計算器由Coilcraft®提供。
圖10. 電感溫度的上升,計算器由Coilcraft®提供。

電路說明

概述

該參考設計為驅動長串LED提供高壓boost電流源,適用于LCD TV背光、LCD監視器背光、路燈、停車場照明等。長串LED驅動是一種高性價比LED驅動方案。另外,由于LED具有完全相同的電流,可以很好地控制亮度變化。設計采用24V輸入,提供高達80V的LED輸出,能夠為LED串提供高達350mA的電流。測得的輸入功率為29.3W,輸出功率為26.4W,效率大約為90%。

PCB

印刷電路板(PCB)是用于MAX16834升壓設計的通用電路板(圖1圖3)。因此,電路板中有許多短路或未組裝的元件。原理圖(圖2)中給出了這些元件。圖4所示為該設計的材料清單。

拓撲結構

本設計采用300kHz非連續boost調節器。圖5所示電子表格顯示了計算得出的MOSFET和電感的RMS電流、峰值電流。不可否認,非連續工作模式具有一些缺點,MOSFET和電感電流較大。然而,由于MOSFET (Q1)導通時輸出電流基本為零,輸出二極管(D2)的反向恢復損耗極小。這一優勢彌補了設計中的不足,因為反向恢復電流產生的過熱和噪聲很難控制。檢查圖6所示電路波形,可以發現MOSFET的導通時間大約為1.6µs。一旦斷開MOSFET,電感連接到輸出電容,漏極電壓將跳至75V并保持大約1µs的時間。此后,電感能量基本耗盡,在隨后的1微秒內,電感和MOSFET的輸出電容開始自激,直到下一個導通周期。

MOSFET驅動

由于采用非連續設計,MOSFET峰值電流高于連續工作模式下電流的兩倍。然而,由于MOSFET導通期間沒有電流通過,只有斷開期間才會出現開關損耗。MAX16834為MOSFET提供足夠的驅動,可以在大約20ns內斷開開關(圖7),因此溫度上升的幅度較小。如果系統存在EMI問題,可以更改MOSFET柵極的串聯電阻和二極管,以調整開關時間。必要時,將第二個MOSFET (Q2)與Q1并聯,以減少溫升。

輸出電容

驅動器使用壽命較長的電解電容作為輸入和輸出電容。電解電容器的耐用性不及陶瓷電容,且尺寸較大,但能夠以較低成本提供充足的電容量。為了控制電路高度(10mm),電解電容以水平方向安裝在電路板上。輸入、輸出電容在+105°C條件下的額定使用壽命分別為4000小時和8000小時。通常,環境溫度每降低10°C,電解電容的使用壽命延長一倍。這意味著在+65°C環境溫度下,輸入/輸出電容的預期壽命分別為64000小時/128000小時。圖5電子表格顯示,只需大約6µF的輸出電容即可達到所要求的輸出電壓紋波。由于電解電容器的紋波電流容量有限,本設計使用了兩個47µF電容。使用多個電容能夠消除大部分開關頻率的紋波電壓(圖8)。但由于電容選擇了具有較高等效串聯電感(ESL)的電解電容,無法完全濾除MOSFET開關斷開時所產生的電路噪聲。在輸出端添加陶瓷電容或低Q值LC濾波器可以在一定程度上解決這一問題。任何元件都需要付出一定的成本,在安裝之前應首先確定是否存在與高頻尖峰信號。

調光

MAX16834非常適合調光。當PWMDIM (IC的第10引腳)為低電平時,會產生以下三個操作:首先,開關MOSFET (Q1)的柵極驅動(第13引腳)變為低電平,避免額外能量傳送給LED串;其次,調光MOSFET (Q3)的柵極驅動(第18引腳)變為低電平,可以立即降低LED串的電流,而且調光MOSFET可以在斷開期間保持輸出電容的電壓恒定;最后,為了保持補償電容的穩定電壓,COMP (第3引腳)變為高阻。COMP引腳的高阻可確保IC在PWMDIM返回高電平后立即以正確的占空比開始工作。上述操作以及非連續工作模式中在每個周期開始時電感電流為零,使得PWM具有極短的導通時間,因此可以獲得較高的調光高。調光比僅受限于主開關驅動器的頻率。由于本設計的工作頻率為300kHz,PWM最短導通時間約為3.33µs,意味著調光比可以達到1500:1 (200Hz調光頻率)。圖9給出了導通時間低于4µs時,LED串的電流。LED串電流符合要求,可以提供最高350mA的電流。

OVP

如果LED串開路,MAX16834的過壓保護(OVP)電路會在下次導通前將驅動器斷開大約400ms。本設計的OVP閾值設為101V。

FAULT#

MAX16834提供一路FAULT#輸出信號。一旦檢測到內部故障(過流或過壓),該輸出將變為低電平。故障解除后,FAULT#即可恢復到高電平。FAULT#不會鎖定。

溫升

由于電路高效(大約90%)工作,驅動元件的溫度不會升高。電感則例外,其溫度上升幅度可以達到+49°C,高于圖10中Coilcraft給出的+27°C預測溫度。當峰值電流在RMS電流兩倍以上時(非連續設計會出現這種情況),預測溫度偏差較大。高溫環境下,需要使用汽車級電感(+125°C)或使用兩個串聯的6µH電感。常溫或較低溫度環境下,一個12µH電感即足以滿足要求。

溫度測量

使用實際的LED負載測量以下溫度:

VIN: 24VDC  
Ambient: +22°C ΔT
L1: +71°C 49°C
D2: +43°C 21°C
Q2: +38°C 16°C
Q3: +34°C 12°C

加電過程

  1. 在LED+焊盤和LED-焊盤之間連接最多23個串聯的LED。
  2. 在VIN焊盤和GND焊盤之間連接24V/2A電源。
  3. 如果需要調光,在DIM IN和GND焊盤間加載一個PWM信號(0至5V)。
  4. 接通24V電源。
  5. 根據需要調整PWM占空比,進行調光。

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