長串LED boost驅動器(使用鋁電解電容)

TV和顯示器背光、路燈、停車場照明經常使用長串LED，這類系統需要一個能夠產生高壓的電流驅動器。本參考設計利用MAX16834構建了一個這樣的驅動器，能夠獲得非常高的調光比。
該參考設計利用MAX16834構建一個boost LED驅動器，用于驅動長串LED。適用于大尺寸LCD TV或顯示器的LED背光、路燈以及停車場照明。

V_IN：24VDC ±5% (1.22A)
V_LED配置：23個串聯LED (75V)，350mA。
調光：脈沖導通時間可低至3.33μs (調光時鐘頻率 = 100Hz時，調光比為3000:1)。

注：已搭建該設計電路并經過測試，但未進行詳細測試，具體應用可能存在細微差別，有待改進。

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圖1. LED驅動器電路板

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圖2. LED驅動器原理圖

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圖3. LED驅動器布局

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圖4. 材料清單

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圖5. 設計表格，如需獲取該電子表格用于您的設計，請與當地的Maxim銷售辦事處聯系。

圖6. 漏極電壓和檢流電阻的電壓(50mΩ)

圖7. 漏極電壓的上升時間

圖8. 輸出電壓(交流耦合)和檢流電阻的電壓

圖9. 高調光比(導通時間 < 4μs)

圖10. 電感溫度的上升，計算器由Coilcraft?提供。

電路說明

概述

該參考設計為驅動長串LED提供高壓boost電流源，適用于LCD TV背光、LCD監視器背光、路燈、停車場照明等。長串LED驅動是一種高性價比LED驅動方案。另外，由于LED具有完全相同的電流，可以很好地控制亮度變化。設計采用24V輸入，提供高達80V的LED輸出，能夠為LED串提供高達350mA的電流。測得的輸入功率為29.3W，輸出功率為26.4W，效率大約為90%。

PCB

印刷電路板(PCB)是用于MAX16834升壓設計的通用電路板(圖1和圖3)。因此，電路板中有許多短路或未組裝的元件。原理圖(圖2)中給出了這些元件。圖4所示為該設計的材料清單。

拓撲結構

本設計采用300kHz非連續boost調節器。圖5所示電子表格顯示了計算得出的MOSFET和電感的RMS電流、峰值電流。不可否認，非連續工作模式具有一些缺點，MOSFET和電感電流較大。然而，由于MOSFET (Q1)導通時輸出電流基本為零，輸出二極管(D2)的反向恢復損耗極小。這一優勢彌補了設計中的不足，因為反向恢復電流產生的過熱和噪聲很難控制。檢查圖6所示電路波形，可以發現MOSFET的導通時間大約為1.6μs。一旦斷開MOSFET，電感連接到輸出電容，漏極電壓將跳至75V并保持大約1μs的時間。此后，電感能量基本耗盡，在隨后的1微秒內，電感和MOSFET的輸出電容開始自激，直到下一個導通周期。

MOSFET驅動

由于采用非連續設計，MOSFET峰值電流高于連續工作模式下電流的兩倍。然而，由于MOSFET導通期間沒有電流通過，只有斷開期間才會出現開關損耗。MAX16834為MOSFET提供足夠的驅動，可以在大約20ns內斷開開關(圖7)，因此溫度上升的幅度較小。如果系統存在EMI問題，可以更改MOSFET柵極的串聯電阻和二極管，以調整開關時間。必要時，將第二個MOSFET (Q2)與Q1并聯，以減少溫升。

輸出電容

驅動器使用壽命較長的電解電容作為輸入和輸出電容。電解電容器的耐用性不及陶瓷電容，且尺寸較大，但能夠以較低成本提供充足的電容量。為了控制電路高度(10mm)，電解電容以水平方向安裝在電路板上。輸入、輸出電容在+105°C條件下的額定使用壽命分別為4000小時和8000小時。通常，環境溫度每降低10°C，電解電容的使用壽命延長一倍。這意味著在+65°C環境溫度下，輸入/輸出電容的預期壽命分別為64000小時/128000小時。圖5電子表格顯示，只需大約6μF的輸出電容即可達到所要求的輸出電壓紋波。由于電解電容器的紋波電流容量有限，本設計使用了兩個47μF電容。使用多個電容能夠消除大部分開關頻率的紋波電壓(圖8)。但由于電容選擇了具有較高等效串聯電感(ESL)的電解電容，無法完全濾除MOSFET開關斷開時所產生的電路噪聲。在輸出端添加陶瓷電容或低Q值LC濾波器可以在一定程度上解決這一問題。任何元件都需要付出一定的成本，在安裝之前應首先確定是否存在與高頻尖峰信號。

調光

MAX16834非常適合調光。當PWMDIM (IC的第10引腳)為低電平時，會產生以下三個操作：首先，開關MOSFET (Q1)的柵極驅動(第13引腳)變為低電平，避免額外能量傳送給LED串；其次，調光MOSFET (Q3)的柵極驅動(第18引腳)變為低電平，可以立即降低LED串的電流，而且調光MOSFET可以在斷開期間保持輸出電容的電壓恒定；最后，為了保持補償電容的穩定電壓，COMP (第3引腳)變為高阻。COMP引腳的高阻可確保IC在PWMDIM返回高電平后立即以正確的占空比開始工作。上述操作以及非連續工作模式中在每個周期開始時電感電流為零，使得PWM具有極短的導通時間，因此可以獲得較高的調光高。調光比僅受限于主開關驅動器的頻率。由于本設計的工作頻率為300kHz，PWM最短導通時間約為3.33μs，意味著調光比可以達到1500:1 (200Hz調光頻率)。圖9給出了導通時間低于4μs時，LED串的電流。LED串電流符合要求，可以提供最高350mA的電流。

OVP

如果LED串開路，MAX16834的過壓保護(OVP)電路會在下次導通前將驅動器斷開大約400ms。本設計的OVP閾值設為101V。

FAULT#

MAX16834提供一路FAULT#輸出信號。一旦檢測到內部故障(過流或過壓)，該輸出將變為低電平。故障解除后，FAULT#即可恢復到高電平。FAULT#不會鎖定。

溫升

由于電路高效(大約90%)工作，驅動元件的溫度不會升高。電感則例外，其溫度上升幅度可以達到+49°C，高于圖10中Coilcraft給出的+27°C預測溫度。當峰值電流在RMS電流兩倍以上時(非連續設計會出現這種情況)，預測溫度偏差較大。高溫環境下，需要使用汽車級電感(+125°C)或使用兩個串聯的6μH電感。常溫或較低溫度環境下，一個12μH電感即足以滿足要求。