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112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案

2017-05-08 来源:Jim Christensen [责任编辑:wenwei]
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【导读】本参考设计利用MAX16834构建一个长串LED的大功率驱动器。LED电流由数字电位器调节,能够在驱动多达20个串联LED (总共75V)时提供高达1.5A的电流。为延长工作寿命,输入和输出去耦电容均采用陶瓷电容。本参考设计采用MAX16834构建112.5W boost LED驱动器,用于驱动长串LED。这些长串LED被广泛用于路灯和停车场照明。
 
输入电压:24VDC ±5% (1.49A) 
 
VLED配置:两串并联,每串由19只WLED组成,5Ω电阻用于电流平衡。每串电流为750mA,在75V驱动下提供1.5A的电流。
调光:50µs (最小值)导通脉冲,200:1最高调光比,100Hz调光频率。
 
注:本设计已经过验证。但并未进行详细测试,有些细节问题尚需进一步测试。
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图1. LED驱动器电路板
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图2. LED驱动器原理图
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图3. LED驱动器布局
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图4. 材料清单
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图5. 设计表格提供了MOSFET和电感的峰值电流和RMS电流。欲索取设计表格,请联系Maxim在当地销售机构。
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图6. 开关MOSFET的电压和检流电阻的电压
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图7. 输出电压(交流耦合)和开关MOSFET检流电阻的电压
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图8. 漏极电压上升时间
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图9. 漏极电压下降时间
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图10. LED电压(交流耦合)和电流纹波
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图11. LED电压(交流耦合)和MOSFET检流电压
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图12. 大约150µs的调光脉冲
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图13. 大约50µs的调光脉冲
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图14. LED串开路OVP 
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
图15. 预测电感的温升。计算器来自Coilcraft®提供的设计支持工具。
 
电路说明

概述
 
本参考设计用于为长串LED提供高压boost电流源,长串LED的应用不仅限于路灯和停车场照明。长串LED允许采用高性价比的LED驱动方案,另外,由于各个LED具有相同电流,可以很好地控制亮度变化。本设计采用24V输入,可提供高达75V的LED驱动输出,可驱动1.5A LED灯串(或多串并联)。测量到的输入功率为115.49W,输出功率为111.6W,具有96.6%的效率。
 
PCB
 
MAX16834 boost设计的印制电路板(PCB)采用通用的两层板(图1和图3)。有些PCB功能要求为可选项,测试时并没有组装这些电路,原理图(图2)中将其标注为“no-pop”。电路板在IC下方布设接地岛,通过单点连接至功率地,以确保低噪声特性。由于很多路灯生产厂商没有适当焊接设备焊接其它形式的封装,例如TQFN封装,因此本设计采用了TSSOP封装IC。图4给出本设计的材料清单。
 
拓扑
 
设计采用工作在200kHz连续模式的boost调节器。图5所示表格给出了MOSFET和电感的RMS电流和峰值电流。连续模式设计能够保持较小的MOSFET电流和电感电流。然而,由于MOSFET (Q1)导通期间电流流过输出二极管(D2),输出二极管的反向恢复损耗较大,并可能导致更大的关断噪声。从图6电路波形可以看出,占空比为69%时,MOSFET的导通时间大约为3.4µs,关断时间大约为1.5µs。一旦MOSFET关断,漏极电压将上升到输出电压与肖特基二极管压降之和。
 
MOSFET驱动
 
由于采用连续模式设计,MOSFET和电感峰值电流低于工作在非连续模式下的数值。但是,由于在导通和关断期间都有电流流过MOSFET,MOSFET在两次转换期间存在较大的开关损耗。MAX16834以足够强的驱动能力使MOSFET在5ns内完全导通,在10ns内完全关断(图8和图9),保持较低的温升。如果设计中存在EMI问题,则改变MOSFET栅极的串联电阻R5,以调整开关时间。如果这一变化引起功耗过大,可以增加另一个MOSFET Q2,与Q1并联,以降低温升。
 
输出电容
 
驱动器的输入和输出电容可以采用陶瓷电容。陶瓷电容具有更小尺寸,工作更可靠,但容值有限,尤其是在设计中要求200V的额定电压。图5中,设计表格显示驱动器需要一个5.4µF电容以满足输出纹波电压的要求;为降低成本和空间,本电路采用4个1.2µF电容(共4.8µF)。输出电压开关纹波为2.88V (图10和图11),纹波电流为182mA,是输出电流的12%,略大于10%目标参数,但仍然能够满足要求。
 
调光
 
MAX16834提供很好的调光。当PWMDIM (第12引脚)为低电平时,将发生三个动作:第一,开关MOSFET Q1的栅极驱动(NDRV,第15引脚)变为低电平,避免额外的能量传送到LED串;第二,调光MOSFET Q4的栅极驱动(DIMOUT,第20引脚)变为低电平,降低LED串电流并保持输出电容电压固定;最后,为保持补偿电容处于稳态电压,COMP (第5引脚)变为高阻态,以确保IC在PWMDIM返回高电平时立即以正确的占空比启动。每个动作都允许极短的PWM导通时间,因此可提供较高的调光比。
 
缩短导通时间主要受限于电感的充电时间,参见图12和图13,可以看到电流能够很好地跟随DIM脉冲。在电流脉冲的起始位置有衰减,主要是由于电感电流的爬升(大约12µs或2–3个开关周期)。观察波形,可以看出需要大约40µs至50µs的时间电压才能完全恢复并建立。如果DIM导通脉冲小于50µs,输出电压将在下个关断脉冲的起始处没有足够的时间。在提高DIM占空比之前,将一直持续这种现象。因此,满载(1.5A)时,DIM导通脉冲不应低于50µs。这意味着100Hz DIM频率下,调光比为200:1。降低最小导通脉冲的唯一途径是提高输出电容,这将提高系统的成本,而且在通用照明中并不需要。如果降低LED电流,最小导通时间可随之降低,调光比增大。陶瓷电容表现为压电效应,调光期间会出现一定的音频噪声。不过,通过适当电路板布局,可以最大程度地降低噪声。
 
OVP
 
图14中,LED串开路,MAX16834的过压保护(OVP)电路在重新启动之前将首先关断驱动器400ms。因为输出电容较小,电感储能可能产生的过冲,因此采用了107V峰值电压设置(高于83V设计值)。
 
电路调整及其它输入、输出
 
R15是线性数字电位器,可以在0A至1.7A之间任意调节LED电流。MAX16834具有一个输入(SYNC),用于同步控制器的开关频率。UVEN输入允许外部控制驱动器(通/断)。REFIN输入端的低阻信号源可以优先于电位器设置,控制驱动器电流。例如,微控制器经过缓冲的DAC可以通过REFIN直接控制LED电流。出现故障(例如OVP)时,FLT#输出低电平。一旦解除故障,信号变为高电平,该信号并不闭锁。
 
温升
 
测量效率为96.63% (VIN = 24.01V、I_IN = 1.49A、PIN = 115.49W、VLED = 74.9V、I_LED = 1.49A、POUT = 111.60W)。由于电路的频率较高,驱动器元件并不发热。温度最高的元件为调光MOSFET Q4,温升大约41°C。这一温升是由于小尺寸PCB布局造成的,可以通过增大漏极附近的覆铜面积改善。电感尺寸较大,具有23°C的温升,高于预期的7°C (图15)。电感似乎吸收了部分MOSFET热量,因为它们共用大面积覆铜焊盘。
 
温度测量
 
以下温度是在实际LED负载测试中得到的:
 
112W长串LED boost驱动器的全陶瓷电容方案
 
上电步骤
 
  1. 在LED+和LED-之间连接最多20只串联LED,同时串联安培表以测量电流(注:如果LED的正向导通电压完全匹配并且/或者增加串联均衡电阻,可以采用并联架构)。
  2. 在VIN和GND之间连接24V、6A电源。
  3. 在连接器J2插入短路器。
  4. 打开24V电源。
  5. 调节R15将电流设置为0至1.5A。
  6. 如果需要调光,则在DIM IN和GND之间连接PWM信号(0V至3.3V)。
  7. 按照上述内容调节PWM占空比,实现调光。
 
本文转载自Maxim。
 
 
 
 
 
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关键字:LED驱动器IC 转换器 高压LED串 陶瓷电容 
本文链接:http://www.cntronics.com/opto-art/80032519
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