使用铝电解电容的长串LED boost驱动器

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。

V_IN：24VDC ±5% (1.22A)
V_LED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。


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图1. LED驱动器电路板


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图2. LED驱动器原理图


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图3. LED驱动器布局


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图4. 材料清单


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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和图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栅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的过压保护(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：

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V_IN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。