长串LED boost驱动器(使用铝电解电容)

2011-01-28 17:28:45来源: 互联网
TV和显示器背光、路灯、停车场照明经常使用长串LED,这类系统需要一个能够产生高压的电流驱动器。本参考设计利用MAX16834构建了一个这样的驱动器,能够获得非常高的调光比。
该参考设计利用MAX16834构建一个boost LED驱动器,用于驱动长串LED。适用于大尺寸LCD TV或显示器的LED背光、路灯以及停车场照明。

VIN:24VDC ±5% (1.22A)
VLED配置:23个串联LED (75V),350mA。
调光:脉冲导通时间可低至3.33µs (调光时钟频率 = 100Hz时,调光比为3000:1)。

注:已搭建该设计电路并经过测试,但未进行详细测试,具体应用可能存在细微差别,有待改进。


详细图片(PDF,3.53MB)
图1. LED驱动器电路板


详细图片(PDF,295kB)
图2. LED驱动器原理图


详细图片(PDF,2.85MB)
图3. LED驱动器布局


详细图片(PDF,1.3MB)
图4. 材料清单


详细图片(PDF,900kB)
图5. 设计表格,如需获取该电子表格用于您的设计,请与当地的Maxim销售办事处联系。


图6. 漏极电压和检流电阻的电压(50mΩ)


图7. 漏极电压的上升时间


图8. 输出电压(交流耦合)和检流电阻的电压


图9. 高调光比(导通时间 < 4µs)


图10. 电感温度的上升,计算器由Coilcraft®提供。

电路说明

概述

该参考设计为驱动长串LED提供高压boost电流源,适用于LCD TV背光、LCD监视器背光、路灯、停车场照明等。长串LED驱动是一种高性价比LED驱动方案。另外,由于LED具有完全相同的电流,可以很好地控制亮度变化。设计采用24V输入,提供高达80V的LED输出,能够为LED串提供高达350mA的电流。测得的输入功率为29.3W,输出功率为26.4W,效率大约为90%。

PCB

印刷电路板(PCB)是用于MAX16834升压设计的通用电路板(图1图3)。因此,电路板中有许多短路或未组装的元件。原理图(图2)中给出了这些元件。图4所示为该设计的材料清单。

拓扑结构

本设计采用300kHz非连续boost调节器。图5所示电子表格显示了计算得出的MOSFET和电感的RMS电流、峰值电流。不可否认,非连续工作模式具有一些缺点,MOSFET和电感电流较大。然而,由于MOSFET (Q1)导通时输出电流基本为零,输出二极管(D2)的反向恢复损耗极小。这一优势弥补了设计中的不足,因为反向恢复电流产生的过热和噪声很难控制。检查图6所示电路波形,可以发现MOSFET的导通时间大约为1.6µs。一旦断开MOSFET,电感连接到输出电容,漏极电压将跳至75V并保持大约1µs的时间。此后,电感能量基本耗尽,在随后的1微秒内,电感和MOSFET的输出电容开始自激,直到下一个导通周期。

MOSFET驱动

由于采用非连续设计,MOSFET峰值电流高于连续工作模式下电流的两倍。然而,由于MOSFET导通期间没有电流通过,只有断开期间才会出现开关损耗。MAX16834为MOSFET提供足够的驱动,可以在大约20ns内断开开关(图7),因此温度上升的幅度较小。如果系统存在EMI问题,可以更改MOSFET极的串联电阻和二极管,以调整开关时间。必要时,将第二个MOSFET (Q2)与Q1并联,以减少温升。

输出电容

驱动器使用寿命较长的电解电容作为输入和输出电容。电解电容器的耐用性不及陶瓷电容,且尺寸较大,但能够以较低成本提供充足的电容量。为了控制电路高度(10mm),电解电容以水平方向安装在电路板上。输入、输出电容在+105°C条件下的额定使用寿命分别为4000小时和8000小时。通常,环境温度每降低10°C,电解电容的使用寿命延长一倍。这意味着在+65°C环境温度下,输入/输出电容的预期寿命分别为64000小时/128000小时。图5电子表格显示,只需大约6µF的输出电容即可达到所要求的输出电压纹波。由于电解电容器的纹波电流容量有限,本设计使用了两个47µF电容。使用多个电容能够消除大部分开关频率的纹波电压(图8)。但由于电容选择了具有较高等效串联电感(ESL)的电解电容,无法完全滤除MOSFET开关断开时所产生的电路噪声。在输出端添加陶瓷电容或低Q值LC滤波器可以在一定程度上解决这一问题。任何元件都需要付出一定的成本,在安装之前应首先确定是否存在与高频尖峰信号。

调光

MAX16834非常适合调光。当PWMDIM (IC的第10引脚)为低电平时,会产生以下三个操作:首先,开关MOSFET (Q1)的栅极驱动(第13引脚)变为低电平,避免额外能量传送给LED串;其次,调光MOSFET (Q3)的栅极驱动(第18引脚)变为低电平,可以立即降低LED串的电流,而且调光MOSFET可以在断开期间保持输出电容的电压恒定;最后,为了保持补偿电容的稳定电压,COMP (第3引脚)变为高阻。COMP引脚的高阻可确保IC在PWMDIM返回高电平后立即以正确的占空比开始工作。上述操作以及非连续工作模式中在每个周期开始时电感电流为零,使得PWM具有极短的导通时间,因此可以获得较高的调光高。调光比仅受限于主开关驱动器的频率。由于本设计的工作频率为300kHz,PWM最短导通时间约为3.33µs,意味着调光比可以达到1500:1 (200Hz调光频率)。图9给出了导通时间低于4µs时,LED串的电流。LED串电流符合要求,可以提供最高350mA的电流。

OVP

如果LED串开路,MAX16834过压保护(OVP)电路会在下次导通前将驱动器断开大约400ms。本设计的OVP阈值设为101V。

FAULT#

MAX16834提供一路FAULT#输出信号。一旦检测到内部故障(过流或过压),该输出将变为低电平。故障解除后,FAULT#即可恢复到高电平。FAULT#不会锁定。

温升

由于电路高效(大约90%)工作,驱动元件的温度不会升高。电感则例外,其温度上升幅度可以达到+49°C,高于图10中Coilcraft给出的+27°C预测温度。当峰值电流在RMS电流两倍以上时(非连续设计会出现这种情况),预测温度偏差较大。高温环境下,需要使用汽车级电感(+125°C)或使用两个串联的6µH电感。常温或较低温度环境下,一个12µH电感即足以满足要求。

温度测量

使用实际的LED负载测量以下温度:

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

加电过程

  1. 在LED+焊盘和LED-焊盘之间连接最多23个串联的LED。
  2. 在VIN焊盘和GND焊盘之间连接24V/2A电源
  3. 如果需要调光,在DIM IN和GND焊盘间加载一个PWM信号(0至5V)。
  4. 接通24V电源。
  5. 根据需要调整PWM占空比,进行调光。

关键字:LED  boost  驱动器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0128/article_4372.html
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