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20A LED 驱动器提供准确度为 ±3% 的满标度电流检测

2017-11-13 10:28:16来源: EEWORLD 关键字:LED  驱动器  电流检测

快速发展的 LED 照明应用正在取代几乎所有传统形式的照明应用。随着这种转型的加速,LED 驱动器的功率需求也提高了,如果不牺牲效率,那么电流越大,保持电流检测准确度就越难。LED 驱动器必须保持电流检测准确度,同时快速向多个独立的 LED 负载提供电流,并能够并联连接和准确均流。

 

有些高功率 LED 具有独特的机械和电气考虑,其正极电连接至导热的后饰片。在采用降压稳压器配置的传统 LED 驱动器中,热管理是通过冷却底盘来实现的,至后饰片的正极连接线会产生一个机电设计难题。后饰片必须具有至散热器的良好导热性,但也必须与之保持电隔离 (如果后饰片上的电压与底盘不同)。由于 LED 制造商改变生产工艺或封装是很困难的,因此 LED 驱动器本身必须迎接该设计挑战。

 

一种选项是使用四开关正降压-升压型 LED 驱动器,但是额外的开关 MOSFET 增加了系统复杂性和成本。负输出降压-升压型拓扑仅采用一组开关功率 MOSFET,且允许正极与散热器直接 (电) 连接,从而免除了在散热器上增设电隔离器的需要,并简化了系统的机械设计。

 

为了满足高性能要求,LT3744 可配置为同步降压型或负输出降压-升压型控制器,以超过 20A 的连续电流驱动 LED 负载。LT3744 的电源输入可以接受 3.3V 至 36V 电压。作为降压型转换器使用时,该器件在 0V 直至电源电压范围内调节 LED 电流。作为负输出降压-升压型转换器使用时,LT3744 可在 0V 直至 -20V 的输出电压范围内准确地调节 LED 电流。

 

在满标度范围内,模拟电流调节准确度为 3%,甚至在 1/20 标度时,准确度也好于 ±30%。LT3744 有 3 个独立的模拟和数字控制输入以及 3 个补偿及栅极驱动输出,适合多种 LED 配置。通过分离电感器电流检测和 LED 电流检测,LT3744 可配置为降压型或负输出降压-升压型控制器。为了便于系统设计,所有输入信号都以电路板地 (SGND,信号地) 为基准,从而无需复杂的分立式电平转换器。

 

在负输出降压-升压型配置中,LED 的总体正向电压可以高于输入电源电压,从而允许用低压电源驱动高压 LED 串。当出于 PCB 功率密度考虑,需要分散组件功耗时,LT3744 还可以方便地并联,以驱动很大的 LED 脉冲负载电流或 DC 负载电流。

 

高准确度电流检测

 

LT3744 采用一个高准确度电流调节误差放大器,可实现总电流控制范围的 1/20 之准确模拟调光。在总体数字 PWM 调光范围有限的应用中,或者在需要非常大的调光范围的应用中,这个特点至关重要。例如,在 100Hz PWM 调光频率和 1MHz 开关频率时,LT3744 能够实现 1250:1 PWM 调光,还可以与 20:1 模拟调光相结合,以使总体调光范围扩大到 25000:1。

 

图 1 显示了当模拟控制输入为 0V 时,随温度变化 LT3744 失调电压的生产一致性,在这里,典型器件数量为 380 个。凭借误差放大器的低失调,控制环路在 1/20 标度模拟调光时,能够实现 ±10% 的典型准确度。图 2 显示了当控制输入等于 1.5V 时,稳定电压在多个 LED 电流检测引脚上的分布。满标度范围的准确度好于 ±3%,这相当于在 60mV 满标度调节电压时准确度为 ±1.8mV。

 

 

图 1:VCTRL = 0V 时,LT3744 中的 LED 电流调节放大器之典型失调电压为 ±300µV

 

NUMBER OF UNITS:器件数量

380 TYPICAL UNITS:典型情况为 380 个器件

REGULATED VLED_ISP – VLED_ISN VOLTAGE:稳定的 VLED_ISP – VLED_ISN 电压

 

图 2:在满标度电流和 VCTRL = 1.5V 时,LED 电流调节环路的典型准确度为 ±1.7%。

 

无闪烁性能

 

衡量 LED 驱动器性能的最重要指标之一是 LED 电流在 PWM 调光时的恢复速度。在 PWM 接通信号上升沿之后的头几个开关周期中,驱动器的表现对最终产品的质量有很大影响。LT3744 采用专有 PWM、补偿和时钟同步技术,提供无闪烁性能,甚至在驱动 LED 至 20A 电流时也是如此。

 

图 3 显示了用 12V 电源向红光 LED 提供 20A 电流时,在 5 分钟时间内 LED 电流的恢复情况。开关频率为 550kHz,电感器为 1µH,PWM 调光频率为 100Hz,接通时间为 10µs (1000:1 调光比)。图中显示了大约 3 万个调光周期,在开关波形中无抖动,每个恢复开关周期都是相同的。

 

图 3:LT3744 提供无闪烁 LED 调光

 

10V/DIV:每格 10V


5-MINUTE PERSISTENCE:持续 5 分钟

 

在 3 种不同稳定电流之间高速调光

 

在投影系统中,让光源更快速地接通可以减少定时限制。而定时限制减少,又可以提高影像更新率,从而可以提供分辨率更高的影像,并减轻快速移动的白色物体之彩虹效应。LT3744 能够在不到 3 个开关中期中,在不同的输出电流状态之间过渡。

 

LT3744 有 3 种稳定电流状态,因此色彩混合系统设计师可以决定每个 LED 的色温。通过色彩混合可以实现很高的色彩准确度,以纠正 LED 色彩的不准确性,消除生产系统导致的各种偏差。LT3743 有小电流和大电流两种状态,LT3744 有 3 种电流状态,因此所有 3 种色彩 (RGB) 的 LED 都能够以它们各自的光输出相互混合,以独立地矫正 LED 的色彩。

 

图 4 显示了一个 24V 输入 / 20A 输出单 LED 驱动器,该驱动器提供 3 种不同的稳定电流,这些电流由 CTRL 上的模拟电压和 PWM 引脚的数字状态决定。请注意,既然 RS 仅用于限制电感器峰值电流和提供绝对过流保护,那么这个电阻器的准确度就不必很高,这降低了系统成本。

 

 图 4:LT3744 能够以 3 种不同的电流值驱动单个 LED

 

20A MAXIMUM:最大值为 20A

BLUE:蓝光

 

3 种不同电流状态之间的 PWM 调光如图 5 和图 6 所示。在图 5 中,PWM 信号顺序接通和断开。PWM3 的优先级最高,PWM1 则最低。这允许单一输入信号快速转换,以改变输出电流。如图 6 所示,PWM 输入信号之间可以有任意长短的时间间隔。


 

图 5:LT3744 在 3 种稳定电流状态之间转换,断开时间不到 3 个开关周期。

 

 

 

图 6:不同电流状态可以在任何时间接通 (状态之间具有或没有时间间隔)

 

一款适用于微型投影仪或智能手机投影仪的完整 RGB LED 解决方案

 

在微型投影系统或智能手机投影系统中,减少总体解决方案占用的空间及其成本非常重要。在这类应用中,PCB 空间极其有限,驱动器解决方案的总体积 (包括组件高度) 必须最小化。仅用 1 个 LED 驱动器驱动所有 3 个 LED 可以显著减少所需空间,从而允许使用较大的电池或功率较大的 LED,以延长电池寿命和提高投影系统光通量。

 

LT3744 同时采用了开关输出电容器技术和浮置栅极驱动器,用单个 LED 驱动器构成了一个完整的 RGB 解决方案。LT3744 为 PWM 输出引脚提供了独特的栅极驱动器。该驱动器的负轨浮置在 VFNEG 引脚上,可将所有处于断开状态的开关栅极拉低至负电压。这确保与输出电容器串联的开关在任何条件下都不会接通。这个驱动器允许任意 LED 串之间有 15V 压差。

 

每个 LED 都可以顺序接通,相互之间有一定的时间延迟,或者按照提供给 PWM 数字输入的任何模式接通。此外,凭借 3 个独立的模拟控制输入,每个 LED 都能够以不同的稳定电流运行。当 LT3744 配置为负输出降压-升压型转换器时,单节锂离子电池仅用单个控制器就可以驱动 3 个独立的 LED 串。图 7 显示了一个专门为 RGB 微型投影仪设计的 3.3V/5A 负输出、3 色、降压-升压型 LED 驱动器。

 

 

 

图 7:LT3744 能够用单节锂离子电池驱动微型投影仪或智能手机投影仪中所有 3 种色彩 (R、G 和 B) 的 LED。

 

两个 LT3744 LED 驱动器并联以组成 324W 双 LED 驱动器

 

在任何大功率 / 大电流控制器设计中都有一个重要的限制因素,那就是 PCB 的功率密度。PCB 功率密度限制到大约 50W/cm2,以防止电源通路组件的温度上升得过高。在极端情况下,当一个 LED 负载需要的功率超过单个驱动器所能提供的限度时 (仍然保持在功率密度限制之内),多个转换器可以并联以分担负载。

 

一个具备新式功率 MOSFET 的高效率大电流 LED 驱动器控制器可以提供大约 200W (解决方案尺寸大约为 4cm2),并可将所有电源通路组件的温度限制到低于 80ºC。就高于 200W 的 LED 负载而言,LT3744 可以并联,以限制任何组件的温度上升。所有补偿输出都应该并联,以允许转换器之间的均流。

 

图 8 显示了一款 324W 转换器,由两个ADI DC2339A 演示电路板并联组成。在这款设计中,每个并联的控制器都产生 27A 电流,总共产生 54A 电流,电压为 6V。通过将相应的补偿输出连接到一起,两个控制器协调一致地运行,以提供平滑、良好的启动和准确的 DC 调节。

 

图 8:一款 57A/324W 双 LED 驱动器

 

图 9 显示了每个电路板的 LED 电流启动过程。请注意,在整个启动过程中,每个电路板提供的稳定电流都是相同的。图 10 显示,在 DC 稳定且未进行 PWM 调光时,两个应用电路板之间实现了出色的电流均分 (波形是直接在彼此的顶部)。图 11 显示,在 100% 占空比时,温度上升至比电路板环境温度高约 55ºC。组件 L1 是电感器、Q1

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关键字:LED  驱动器  电流检测

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/LED/article_2017111312319.html
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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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