本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了MAX16833高壓高亮度LED驅(qū)動(dòng)器的分步設(shè)計(jì)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可以加快原型制作速度，并增加一次性成功的機(jī)會(huì)。給出了一個(gè)典型的設(shè)計(jì)方案，以及基于設(shè)計(jì)約束的計(jì)算示例。討論了組件選擇的權(quán)衡。包括一個(gè)電子表格計(jì)算器 （XLS），以幫助計(jì)算外部組件值。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹降壓-升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是，只要理解基本方程，相同的過(guò)程就可以應(yīng)用于其他拓?fù)洹?/p>

介紹

本應(yīng)用筆記是系列筆記中的第二篇，詳細(xì)介紹了MAX16833高壓高亮度LED驅(qū)動(dòng)器的分步設(shè)計(jì)過(guò)程，以加快原型設(shè)計(jì)速度，增加一次通過(guò)成功的機(jī)會(huì)。MAX16833為峰值電流模式控制的LED驅(qū)動(dòng)器，能夠以幾種不同的架構(gòu)驅(qū)動(dòng)LED串：升壓、降壓-升壓、SEPIC、反激式和高邊降壓拓?fù)洹１緫?yīng)用筆記第1部分重點(diǎn)介紹降壓-升壓拓?fù)洹?/p>

MAX16833具有多種特性：調(diào)光驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)外部p溝道MOSFET，極快的PWM電流切換至LED，無(wú)瞬態(tài)過(guò)壓或欠壓，模擬調(diào)光，100kHz至1MHz之間的可編程開(kāi)關(guān)頻率，以及用于頻率抖動(dòng)的斜坡輸出或電壓基準(zhǔn)，用于精確設(shè)置LED電流，只需很少的外部元件。

對(duì)于第 2 部分中的設(shè)計(jì)示例，以 4A 的恒定電流驅(qū)動(dòng) 1 個(gè) LED 串。假設(shè)每個(gè)LED的典型正向壓降為3V，動(dòng)態(tài)電阻為0.2Ω。還假設(shè)LED驅(qū)動(dòng)器電路直接由汽車電池供電，其典型電壓為12V，但可以在6V至16V之間變化。由于LED燈串電壓在輸入電壓范圍內(nèi)，因此選擇降壓-升壓配置。

圖1.典型工作電路。

電感器選擇（降壓-升壓）

為了選擇合適的電感值，必須首先計(jì)算最大占空比：

（公式1）

其中VLED是以伏特為單位的LED串的正向電壓，VD是整流二極管的正向壓降（約0.6V），VIMIN是以伏特為單位的最小輸入電源電壓，VFET是以伏特為單位的開(kāi)關(guān)MOSFET導(dǎo)通時(shí)的平均漏源電壓（最初假設(shè)為0.2V）。

最大占空比和LED電流決定了平均電感電流。

（公式2）

峰值電感電流定義如下：

（公式3）

其中 ΔIL是以安培為單位的峰峰值電感電流紋波。

最后，可以計(jì)算出最小電感值：

（公式4）

下面是基于引言中概述的設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)值示例。選擇電感電流紋波為50%。較低的紋波電流需要更大（通常更昂貴）的電感。更高的紋波電流需要更多的斜率補(bǔ)償和更大的輸入電容。

	（公式5）
	（公式6）
	（公式7）
	（公式8）

確定最小電感值后，必須選擇接近L的實(shí)際電感值最低盡可能不下水。使用所選電感值重新計(jì)算峰值電感電流和紋波。這些數(shù)字對(duì)于以后的其他計(jì)算是必需的。

L實(shí)際= 8.2μH	（公式9）
	（公式10）
	（公式11）

確保所選電感的額定電流高于ILP.通常，電感峰值電流使用20%裕量。

開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管選擇

選擇額定承受最大輸出電壓的開(kāi)關(guān) MOSFET。

保證金包括系數(shù) 1.2。

開(kāi)關(guān) MOSFET 的額定值也必須能夠處理最大 RMS 電流。

（公式13）

我在哪里數(shù)字版權(quán)管理系統(tǒng)是開(kāi)關(guān) MOSFET 的漏極有效值電流，單位為安培。

整流二極管選擇

整流二極管可能是導(dǎo)致整體功率損耗的主要原因。選擇具有低正向壓降的肖特基二極管，該二極管的額定值可處理平均LED電流。

保證金包括系數(shù) 1.2。

此外，請(qǐng)確保肖特基二極管的反向電壓額定值比 （V發(fā)光二極管+ V英馬克斯），二極管兩端的最大預(yù)期反向電壓。

調(diào)光場(chǎng)效應(yīng)管選擇

選擇在工作溫度比 LED 電流高 30% 時(shí)具有連續(xù)額定電流的調(diào)光 MOSFET。調(diào)光 MOSFET 的漏源電壓額定值必須比 V 高 20%發(fā)光二極管.

輸入電容選擇

在降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中，輸入電流是連續(xù)的（假設(shè)輸出電容接地;參見(jiàn)輸出電容連接部分），因此RMS紋波電流很低。大容量電容和ESR都會(huì)影響輸入紋波。假設(shè)大容量電容和ESR的紋波貢獻(xiàn)相等，如果鋁電解電容和陶瓷電容器并聯(lián)使用。如果僅使用陶瓷電容器，則大部分輸入紋波來(lái)自大容量電容（因?yàn)樘沾呻娙萜骶哂蟹浅５偷腅SR）。使用公式15和16計(jì)算最小輸入大容量電容和最大ESR：

（公式15）

其中 ΔVQ_IN是電容放電引起的輸入紋波部分。

（公式16）

其中 ΔVESR_IN是ESR引起的輸入紋波。

假設(shè)可以容忍最大120mV的輸入紋波（V的2%）英明).此外，假設(shè)該輸入紋波的95%來(lái)自大容量電容。如果實(shí)際組件不容易獲得計(jì)算值，則可能需要重新考慮此假設(shè)。根據(jù)規(guī)定的設(shè)計(jì)規(guī)格，輸入電容的計(jì)算方法如下：

	（公式17）
	（公式18）

并聯(lián)使用兩個(gè) 4.7μF 電容器，以實(shí)現(xiàn) 7.5μF 的最小大容量電容。確保所選電容器在工作電壓下滿足最小大容量電容要求（電容會(huì)隨著陶瓷電容器電壓的變化而大幅降低）。

輸出電容器選擇

輸出電容器的目的是在開(kāi)關(guān) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)減小 LED 的輸出紋波和源電流。大容量電容和ESR都會(huì)影響總輸出電壓紋波。如果使用陶瓷電容器，大部分紋波來(lái)自大容量電容。使用公式19計(jì)算所需的大容量電容：

（公式19）

其中 ΔVQ_OUT是電容器放電引起的輸出紋波部分。

剩余紋波，ΔVESR_OUT，來(lái)自輸出電容ESR，其計(jì)算公式如下：

（公式20）

要確定允許的總輸出紋波，請(qǐng)將允許的LED電流紋波乘以LED串的動(dòng)態(tài)阻抗。LED的動(dòng)態(tài)阻抗定義為工作LED電流下的ΔV/ΔI，可通過(guò)LED數(shù)據(jù)手冊(cè)中的I-V曲線確定。如果LED數(shù)據(jù)手冊(cè)中未提供I-V曲線，則必須手動(dòng)測(cè)量。

并聯(lián)使用多個(gè)陶瓷電容器，以降低大容量輸出電容的有效ESR和ESL。

在PWM調(diào)光期間，陶瓷輸出電容可能會(huì)產(chǎn)生一些可聞噪聲。為了降低這種噪聲，將電解電容器或鉭電容器與陶瓷電容器結(jié)合使用，以提供所需的大部分大容量電容。也可以使用低噪聲陶瓷電容器。1

假設(shè)最大 LED 電流紋波為 0.1 × I發(fā)光二極管.此外，假設(shè)所選 LED 的動(dòng)態(tài)阻抗為 0.2Ω（0 個(gè) LED 串的總阻抗為 8.4Ω）。然后按如下方式計(jì)算總輸出電壓紋波：

假設(shè)大容量電容的紋波貢獻(xiàn)為95%，輸出電容的計(jì)算公式如下：

	（公式22）
	（公式23）

并聯(lián)使用三個(gè) 10μF 電容器和一個(gè) 4.7μF 電容器，以實(shí)現(xiàn) 30μF 的最小輸出電容。 確保所選電容器在工作電壓下滿足最小大容量電容要求（電容會(huì)隨著陶瓷電容器電壓的變化而大幅降低）。

過(guò)壓保護(hù)

如果 LED 開(kāi)路，轉(zhuǎn)換器會(huì)嘗試增加輸出電壓以達(dá)到所需的 LED 電流。這意味著輸出電壓可能接近不安全的水平。提供OVP輸入以檢測(cè)過(guò)壓情況并限制輸出電壓。如果 V過(guò)壓保護(hù)超過(guò)1.23V，NDRV強(qiáng)制低電平，直到V過(guò)壓保護(hù)放電至1.16V。

對(duì)于降壓-升壓配置，輸出電壓等于輸入電壓加上LED電壓。五世OV選擇的跳變點(diǎn)應(yīng)高于正常工作期間預(yù)期的最大輸出電壓。

VOV > VINMAX + VLEDMAX	（公式24）
	（公式25）

對(duì)于此設(shè)計(jì)示例，假設(shè) VOV需要 42V。選擇 ROVP2為10kΩ，則

（公式26）

電流檢測(cè)

MAX16833為電流模式控制的LED驅(qū)動(dòng)器，這意味著電感電流和LED電流的信息被反饋到環(huán)路中。

LED 電流感應(yīng)

LED 電流由串聯(lián)高邊檢流電阻器或施加到 ICTRL 輸入端的電壓進(jìn)行設(shè)置。

如果 VICTRL > 1.23V，則內(nèi)部基準(zhǔn)將RCS_LED兩端的電壓調(diào)節(jié)至 200mV（VISENSE+ - VISENSE-）。因此，檢流電阻RCS_LED設(shè)置LED電流。

（公式27）

如果 VICTRL<1.23V，則LED電流由RCS_LED和 VICTRL.這允許LED通過(guò)模擬電壓調(diào)暗。

（公式28）

請(qǐng)注意，當(dāng) VICTRL= 1.23V，兩個(gè)方程相同。

開(kāi)關(guān) FET 電流檢測(cè)和斜率補(bǔ)償

當(dāng)占空比大于50%時(shí)，負(fù)載瞬態(tài)會(huì)導(dǎo)致次諧波振蕩和環(huán)路不穩(wěn)定，而無(wú)需斜率補(bǔ)償。為了保持環(huán)路穩(wěn)定，添加一個(gè)電阻（R南卡羅來(lái)納州從CS到開(kāi)關(guān)MOSFET的源極）。MAX16833內(nèi)部有一個(gè)電流源，通過(guò)R供電電流南卡羅來(lái)納州創(chuàng)建電壓 V南卡羅來(lái)納州.該電壓與R兩端的電壓相加CS_FET并將結(jié)果與參考進(jìn)行比較。

保持穩(wěn)定性所需的最小斜率補(bǔ)償電壓為：

RCS_FET，F(xiàn)ET 電流檢測(cè)電阻同時(shí)具有開(kāi)關(guān) MOSFET 電流和流過(guò)它的斜率補(bǔ)償電流。

圖2.斜率補(bǔ)償。
斜率補(bǔ)償電壓定義如下：

(Eq. 31)

為了計(jì)算最小必要的斜率補(bǔ)償電壓，假設(shè)最小電源電壓和最小電感值：

	(Eq. 32)
	(Eq. 33)

因此:

(Eq. 34)

包括系數(shù) 1.5 以提供足夠的保證金。

(Eq. 35)

確定RCS_FET后，RSC 的計(jì)算方法如下：

(Eq. 36)

根據(jù)規(guī)定的設(shè)計(jì)規(guī)格，斜率補(bǔ)償和檢流電阻的計(jì)算方法如下：

	(Eq. 37)
	(Eq. 38)

最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為75mΩ。

(Eq. 39)

誤差放大器補(bǔ)償

在降壓-升壓配置中，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器具有右半平面（RHP）零點(diǎn)，導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定。環(huán)路補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是確保環(huán)路增益>0dB（和足夠的相位裕量）的相移小于180°。通過(guò)增加左半平面（LHP）極點(diǎn)，環(huán)路增益可以在大約1/5 fZRHP時(shí)滾降到0dB，并且可以避免RHP零點(diǎn)引起的不穩(wěn)定。誤差放大器必須進(jìn)行補(bǔ)償，以確保在所有預(yù)期的工作條件下變化下的環(huán)路穩(wěn)定性。最壞情況下的 RHP 零頻率計(jì)算如下：

(Eq. 40)

開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出端還有一個(gè)極點(diǎn)。輸出極點(diǎn)fP2的計(jì)算公式如下：

(Eq. 41)

其中，COUT是上面計(jì)算的大容量輸出電容，ROUT是有效輸出阻抗。

(Eq. 42)

其中 RLED 是 LED 串在工作電流下的動(dòng)態(tài)阻抗，單位為歐姆。
通過(guò)從 COMP 到 SGND 添加串聯(lián)電阻和電容（RCOMP 和 CCOMP）來(lái)補(bǔ)償環(huán)路。RCOMP設(shè)置交越頻率，CCOMP設(shè)置積分器零頻率。為獲得最佳性能，請(qǐng)使用以下公式：

	(Eq. 43)
	（公式44）

CCOMP和誤差放大器的輸出阻抗根據(jù)以下公式設(shè)置主極點(diǎn)頻率：

（公式45）

假設(shè) ROUTEA 比 RCOMP 大得多。MAX16833數(shù)據(jù)資料中未指定ROUTEA，但可以根據(jù)誤差放大器的跨導(dǎo)和開(kāi)環(huán)增益計(jì)算得出。首先，將75dB的開(kāi)環(huán)增益從分貝轉(zhuǎn)換為伏特/伏特。

（公式46）

然后ROUTEA可以按如下方式計(jì)算：

（公式47）

以下設(shè)計(jì)示例：

	（公式48）
	（公式49）
	（公式50）
	（公式51）

最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為82Ω。

（公式52）

最接近的標(biāo)準(zhǔn)電容值為0.47μF。

（公式53）

環(huán)路響應(yīng)和相位裕量

我們可以近似相位裕量（ΦM） 如下：

（公式54）

通過(guò)將交越頻率設(shè)置為 f 的 1/5中聯(lián)，將積分器零 （f子） 在 f 處小二，并假設(shè) f小二遠(yuǎn)小于 fC，則公式簡(jiǎn)化為以下內(nèi)容：

圖3顯示了基于上述外部元件選擇的仿真波特圖。交越頻率為5.5kHz，相位裕量為79°。交越頻率略低于手動(dòng)計(jì)算值，但完全在預(yù)期范圍內(nèi)。

圖3.波特圖模擬。

計(jì)算和仿真環(huán)路響應(yīng)既是設(shè)計(jì)HB LED驅(qū)動(dòng)器原型的好主意，也是重要步驟。但是，在原型組裝完成后，還應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證環(huán)路響應(yīng)。

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀和變壓器將小信號(hào)注入環(huán)路并測(cè)量響應(yīng)。有關(guān)典型的增益和相位測(cè)量設(shè)置，請(qǐng)參見(jiàn)圖4。

圖4.用于測(cè)量環(huán)路增益和相位響應(yīng)的設(shè)置。

交流信號(hào)需要注入小電阻上的反饋路徑，并在電阻的兩側(cè)進(jìn)行測(cè)量。由于該設(shè)計(jì)已經(jīng)有一個(gè)100Ω電阻與ISENSE輸入串聯(lián)，因此無(wú)需斷開(kāi)環(huán)路。交流信號(hào)可以在100Ω電阻兩端注入。

環(huán)路響應(yīng)應(yīng)在滿載電流下進(jìn)行，并且沒(méi)有模擬或PWM調(diào)光，因此請(qǐng)確保PWMDIM和ICTRL在測(cè)試期間都很高。此外，測(cè)量應(yīng)以最低預(yù)期輸入電壓進(jìn)行。

檢查以確保網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的交越頻率和相位裕量接近計(jì)算值。

設(shè)計(jì)電路以適應(yīng)多種應(yīng)用

很多時(shí)候，不希望為每個(gè)應(yīng)用進(jìn)行新設(shè)計(jì)。如果兩個(gè)應(yīng)用之間的差異很小，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇在兩個(gè)應(yīng)用中使用相同的電路，并接受隨之而來(lái)的性能權(quán)衡。

建議設(shè)計(jì)人員評(píng)估并了解其電路在所有不同條件下的行為。這些條件包括最小和最大輸入電壓范圍、被驅(qū)動(dòng) LED 的最小和最大數(shù)量、LED 串的陰極是連接到 GND（升壓）還是 IN（降壓-升壓）等。

使用提供的電子表格計(jì)算器 （XLS），可以輕松插入上述方案，并查看哪一個(gè)指示最小組件值。

圖5.MAX16833通用方案，支持升壓或降壓-升壓配置。

輸出電容連接

降壓-升壓LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電容通常從肖特基二極管的陰極連接到PGND。但是，輸出電容也可以從肖特基二極管的陰極連接到V在.圖6顯示了連接降壓-升壓LED驅(qū)動(dòng)器輸出電容的兩個(gè)選項(xiàng)。選項(xiàng) A 是標(biāo)準(zhǔn)方法，通?？商峁┳罴训?EMI 性能。但是，由于LED陰極連接到輸入端，因此LED電壓容易受到線路瞬態(tài)條件的影響。通過(guò)在LED兩端連接輸出電容，可以降低線路瞬態(tài)脆弱性。選項(xiàng)B的缺點(diǎn)是將輸入電流從連續(xù)變?yōu)椴贿B續(xù)，從而增加輸入上的電壓紋波并損害EMI性能。

圖6.用于連接降壓-升壓 LED 驅(qū)動(dòng)器輸出電容的兩種不同選項(xiàng)。

結(jié)論

完整的降壓-升壓LED驅(qū)動(dòng)器原理圖如圖7所示。通過(guò)遵循本應(yīng)用筆記中概述的分步設(shè)計(jì)流程，可以在項(xiàng)目的調(diào)試和測(cè)試階段節(jié)省大量時(shí)間。

圖7.基于示例計(jì)算的典型應(yīng)用電路。

審核編輯：郭婷