利用高调光比LED驱动器设计大功率照明方案

LED照明解决方案广受欢迎的原因之一，是LED能通过简单的电流控制来获得很宽的调光范围，比如汽车仪表盘和飞机驾驶员座舱等环境照度可能非常低的应用场合就需要非常宽的PWM调光范围。凌力尔特公司的LT3478和LT3478-1是单芯片升压型DC/DC转换器，能在很宽的可设置范围内利用恒定电流来驱动高亮度LED。除了可选的10:1模拟调光范围之外，LT3478和LT3478-1还具有3000:1的PWM调光范围，可以保持LED的色彩。

LT3478和LT3478-1的易用性很好，并具有旨在优化性能、可靠性、外形尺寸和总成本的可编程功能。这些器件可工作在升压、降压和降升压型LED驱动器拓扑结构中。它们所能提供的LED电流大小取决于拓扑结构，最高可达4A。LT3478和LT3478-1是大功率LED应用(包括汽车和航空电子照明)的理想选择，它们采用16引脚耐热增强型TSSOP封装，具有E级或I级温度额定值。
 

图1：面向汽车TFT LED背光应用的升压型LED驱动电路。

LT3478和LT3478-1的工作原理与传统的电流式升压型转换器相似，但它们采用LED电流(而不是输出电压)作为控制环路的主反馈源。图2给出了各部分的主要功能。这两款器件均采用高压侧LED电流检测，以便可以工作在降压和降升压模式。LT3478-1通过集成电流检测电阻器来节省空间和成本，并将最大LED电流限制为1.05A。LT3478采用外部检测电阻器，允许最大可编程LED电流为4A。
 

图2：LT3478和LT3478-1功能框图。

设置最大LED电流

调光的电流控制是一个重要的特性，但避免LED过驱动(超过其最大额定电流)也同样很重要。LT3478和LT3478-1使设置最大电流以及根据温度降低最大电流变得非常容易。
 

图3：用来设置最大LED电流的电路连接图。

LT3478和LT3478-1利用CTRL1引脚电压来控制最大LED电流，除非器件被设置为根据温度降低最大LED电流(利用CTRL2引脚来完成)。可以利用从VREF(见图3)或外部电压电源引出的简单电阻分压器来设置CTRL1引脚电压，也可以直接将CTRL1连接至VREF引脚，以提供最大电流。图4给出了LED电流与CTRL1引脚电压的关系曲线。

图4：LED电流与CTRL1引脚电压的关系曲线。

根据温度降低最大LED电流

为确保最佳的可靠性，LED制造商规定了最大容许LED电流与温度的关系曲线(图5)。如果不根据温度调节最大LED电流，可能对LED造成永久损坏。
 

图5：LED电流下降曲线与环境温度的关系。

图6：设置LED电流降额曲线与温度的关系。

LT3478和LT3478-1通过CTRL2引脚来降低电流。如图6所示，只需通过一个与温度有关的电阻分压器把CTRL2引脚连接至VREF即可。当温度上升时，CTRL2引脚电压下降，当CTRL2引脚电压降至低于CTRL1引脚电压时，则由CTRL2引脚电压设置最大LED电流(图7)。

LED电流开始下降时的温度以及电流下降的快慢由所采用的电阻网络/阻值来选择。表1列出了NTC电阻器制造商村田电子、TDK和Digi-Key的网站信息。Murata Electronics(村田电子)公司特别提供了一个用于选择所需的电阻器组合形式(如图6所示)的在线仿真程序，其中包括一份说明NTC电阻器规格的产品目录。图5给出了LT3478-1编程LED电流下降与温度关系曲线的一个实例，采用的是图6所示的可选方案C，其中：R4=19.3k、RY=3.01k、RNTC=22k(NCP15XW223J0SRC)。有关如何通过手工计算来确定这些数值的更加详尽的描述，请查阅LT3478和LT3478-1的数据表。

表1：NTC电阻器制造商/分销商。
 

图7：CTRL1和CTRL2引脚电压与温度的关系曲线。
 

模拟调光

许多LED应用都需要进行准确的亮度控制。可以简单地通过减小LED电流来降低LED亮度，这种方法被称为"模拟调光"，但减小LED的工作电流会改变LED的色彩。LT3478和LT3478-1可以通过把CTRL1引脚电压从1V降至0.1V来实现10:1调光。如果色彩保持特性很重要，PWM调光是一种更好的可选方案。
 

图8：PWM调光通过PWM引脚来实现。

图9：PWM调光波形，当PWM引脚为有效高电平或低电平时，LED电流分别为最大值或0。

PWM调光

PWM调光(图8和图9)可产生很高的调光比，且不会导致与电流有关的LED色彩变化。LT3478和LT3478-1的PWM调光是通过PWM引脚来实现的。当PWM引脚为有效高电平(TPWM(ON))或低电平时，LED电流分别为最大值或0。LED的导通时间(或者平均电流)受控于PWM引脚的占空比。由于LED始终工作于相同的电流条件下(最大电流由CTRL1引脚设置)，而只有平均电流发生变化，所以调光不会导致LED的色彩改变。

PWM调光并不是一个新技术，但要实现高PWM调光比(需要极低的PWM占空比)却颇具挑战性。LT3478和LT3478-1采用一种专利架构来实现超过3000:1的PWM调光比(100Hz)。图10的应用电路可以实现超过3,000:1的PWM调光比，前提是PWM导通时间被缩减至3个开关周期(当fPWM=100Hz时，TPWM(ON)<3.3μs)。图11和12是图10的相应关系曲线和波形。

图10：专为高PWM调光比而优化的升压型LED驱动器电路。

利用PWM引脚来实现最大PWM调光比(PDR)满足以下关系式：

PWM调光比=1/最小PWM占空比=1/(TPWM(ON)MIN·fPWM)

图10中的简化波形和下面给出的准则说明了PWM占空比、PWM频率、PWM调光比和LED电流之间的关系：

1. 对于100Hz的PWM频率(fPWM)，一个数值为3,000的PDR意味着3.3μs的PWM导通时间。

2. 对于固定的PWM导通时间，PWM频率越低，PWM调光比就越高。但对最低可以把PWM频率控制到什么水平是有限制的，因为人眼会感觉到频率低于80Hz的闪烁。

3. 提高编程开关频率(fOSC)可以提高PDR，但会导致效率下降和内部发热量的增加。一般来说，TPWM(ON)MIN=3×1/fOSC(约为3个开关周期)。

4. 应最大限度地减小输出电容器的漏电流。当PWM引脚为低电平时，LT3478和LT3478-1将关断所有从VOUT获得工作电流的电路。

5. 如欲获得更宽的调光范围，可以组合应用PWM调光和模拟调光功能，此时TDR=PDR·ADR，其中TDR=总调光比，PDR=PWM调光比，ADR=模拟调光比。3000:1的PDR和10:1(CTRL引脚电压为0.1V)的ADR将产生30,000:1的TDR。
 

图11：图10电路中的LED电流与PWM调光比的关系曲线。

开路LED保护

输出电压具有一个可设置的最大值，以避免LED因断接(开路LED)而后重接导致受损。在LED断接期间，转换器可变至开口回路，并把输出电压驱动至极高，从而致使内部电源开关遭到损坏。大多数LED驱动器都具有一个用于保护开关的固定最大输出电压，但对于重新连接的LED串来说，该电压可能过高。LT3478和LT3478-1提供了一个可编程过压保护(OVP)电平，以根据串联的LED的数目来限制输出电压。OVPSET电压负责限制最大输出电压，最大输出电压=OVPSET电压x41。
 

图12：图10电路的PWM调光波形。

OVPSET电压利用其自身的电阻分压器，或通过给用于确定CTRL1电压的分压器增添一个电阻器，从VREF获得。OVPSET编程电平不应超过1V，以确保开关电压不超过42V。

高可靠性：故障检测和软启动

为在热插拔、启动或正常操作期间实现可靠的性能，LT3478和LT3478-1可监视以下任何故障的系统参数：VIN<2.8V，SHDN<1.4V，电感器涌入电流大于6A和/或输出电压高于编程OVP电压。一旦检测到任何上述故障，LT3478和LT3478-1立即停止开关操作，并对软启动引脚进行放电(图13)。当所有故障都被消除且SS电压被放电到低于0.25V时，内部12μA电源将以外部电容器CSS所设置的速率对SS引脚进行充电。SS电压的平缓上升等效于开关电流限值的斜坡上升，直到SS电压超过VC电压。

高效率：独立的电感器和IC电源，可设置fOSC，60mΩ开关

LT3478和LT3478-1能采用独立的IC和电感器电源，以优化效率和开关占空比范围。电感器涌入电流的检测采用VS和L引脚，而与VIN电源无关(图2)，这使得能利用系统的最低可用电源(至少2.8V)为VIN供电，以尽量减少电源开关驱动器中的效率损失。这样，电感器能通过一个更加适合LED负载的占空比和功率要求的电源(2.8V至36V)来供电。可对电源开关的开关频率进行调节，以实现系统所需的最佳电感器尺寸和效率性能。通过尽可能地降低开关损耗(对于高占空比操作)，60mΩ导通电阻进一步地提高了效率。
 

图13：LT3478/LT3478-1故障检测和SS引脚电压时序图。

本文小结

LT3478和LT3478-1非常适合于要求高LED电流和高PWM调光比的升压、降压或降升压型LED驱动应用。4.5A的高峰值开关电流限值和新型的PWM调光架构，使LT3478和LT3478-1能在高达4A的LED电流条件下提供高PWM调光比。（凌力尔特公司）

图14：针对便携式照相闪光灯应用的降升压型LED驱动器电路。