MAX16821A/MAX16821B/MAX16821C：高功率同步HBLED驅動器

在LED驅動領域，對于高功率、高亮度LED（HB LED）的驅動需求日益增長。Maxim Integrated推出的MAX16821A、MAX16821B和MAX16821C系列PWM LED驅動控制器，為這一需求提供了出色的解決方案。不過需要注意的是，該系列產品不推薦用于新設計，新設計建議參考MAX20078。

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產品概述

MAX16821A - MAX16821C能夠在緊湊的封裝中提供高輸出電流能力，并且僅需最少數量的外部組件。它們適用于同步和非同步的降壓、升壓、降壓 - 升壓、SEPIC和Cuk等多種LED驅動拓撲結構。通過邏輯輸入（MODE），設備可以在同步降壓和升壓模式之間切換，而且是專門為適應共陽極HB LED而設計的首批高功率驅動器。

產品特性亮點

輸出電流與控制模式

• 高輸出電流：能夠提供高達30A的輸出電流，滿足高功率LED的驅動需求。
• 平均電流模式控制：采用平均電流模式控制技術，允許使用具有最佳電荷和導通電阻品質因數的MOSFET，即使在提供高達30A的LED電流時，也能最大程度減少對外部散熱的需求。

電流感測與電壓范圍

• 差分感測方案：提供精確的LED電流控制，確保LED發光的穩定性和一致性。
• 寬輸入電壓范圍：當內部穩壓器禁用（VCC連接到IN）時，可在4.75V至5.5V的電源范圍內工作；當內部穩壓器啟用時，可在7V至28V的輸入電源電壓下工作。

時鐘輸出與頻率范圍

• 180°相位延遲時鐘輸出：能夠控制第二個異相LED驅動器，減少輸入和輸出濾波電容器的尺寸，并最小化紋波電流。
• 寬開關頻率范圍：開關頻率范圍為125kHz至1.5MHz，允許使用小型電感器和電容器，有助于減小電路體積。

其他特性

• 可編程過壓保護：保護外部電路免受過高電壓的損害，提高系統的可靠性。
• 輸出使能功能：方便控制驅動器的開啟和關閉。

應用領域

該系列產品廣泛應用于各種需要高功率LED驅動的領域，如前投影儀/背投電視、便攜式和袖珍投影儀以及LCD電視和顯示器背光等。

電氣特性詳解

輸入電壓與靜態電流

• 輸入電壓范圍：內部LDO開啟時為7V至28V；內部LDO關閉（VCC連接到VIN）時為4.75V至5.5V。
• 靜態電源電流：在V EN = V CC或SGND且無開關操作時，典型值為2.7mA，最大值為5.5mA。

LED電流調節器

不同型號（MAX16821A、MAX16821B、MAX16821C）在不同輸入電壓和開關頻率條件下，具有不同的差分設定值，以滿足多樣化的應用需求。

振蕩器與同步

• 開關頻率范圍：可在125kHz至1500kHz之間進行調節，通過連接不同阻值的電阻（R T ）可以精確設置開關頻率。
• SYNC功能：可以與外部時鐘同步，增強了系統的靈活性。

電感電流限制

具有平均電流限制閾值和反向電流限制閾值，能夠有效保護電路在異常情況下的安全。

引腳功能說明

各個引腳都有其特定的功能，例如：

• PGND：電源接地。
• DL和DH：分別為低側和高側柵極驅動器輸出。
• CLKOUT：振蕩器輸出，其相位與DH或DL的上升沿相差180°，具體取決于MODE的邏輯電平。
• MODE：用于選擇降壓/升壓模式，具有內部5μA下拉電流到地。
• EN：輸出使能，具有內部15μA上拉電流。

工作原理深入剖析

控制環路

采用平均電流模式控制方案，主要控制環路由用于控制電感電流的內部電流調節環路和用于調節LED電流的外部電流調節環路組成。內部電流調節環路吸收了電感和輸出電容器組合的雙極點，將外部電流調節環路的階數降低到單極點系統，從而提高了系統的穩定性和控制精度。

電感電流感測放大器

提供34.5V/V的直流增益，典型輸入失調電壓為0.1mV，共模電壓范圍為0至5.5V（V IN = 7V至28V），能夠準確感測電感電流。

PWM比較器和R - S觸發器

內部PWM比較器通過將電流誤差放大器的輸出與2V P - P的斜坡信號進行比較來設置占空比。在每個時鐘周期開始時，R - S觸發器復位，根據MODE的連接情況，高側驅動器（DH）或低側驅動器（DL）開啟，當斜坡信號超過CLP電壓時，比較器設置觸發器，從而終止導通周期。

保護功能

過壓保護（OVP）

當輸出電壓超過OVP閾值時，OVP會禁用MAX16821A - MAX16821C，保護外部電路免受過高電壓的損害。在故障條件下，當負載變為高阻抗（輸出開路）時，控制器會嘗試維持LED電流，此時OVP發揮作用，確保系統安全。

電流限制

誤差放大器（VEA）輸出在相對于共模電壓（VCM）的 - 0.050V和 + 0.93V之間鉗位，平均電流模式控制在故障條件下限制轉換器提供的平均電流。

應用電路設計

升壓LED驅動器

在升壓拓撲中，輸入電壓在導通時間內對電感充電，在關斷時間內電感向輸出放電，輸出電壓不能低于輸入電壓。通過合理選擇電阻R1和R2，可以實現對電感電流和LED電流的精確控制。

輸入參考的降壓 - 升壓LED驅動器

該電路類似于升壓轉換器，但LED連接方式不同，允許LED兩端的電壓大于或小于輸入電壓。由于LED電流感測不是以地為參考，因此需要使用高端電流感測放大器來測量電流。

SEPIC LED驅動器

SEPIC拓撲允許輸出電壓大于、等于或小于輸入電壓。在這種拓撲中，C3兩端的電壓與輸入電壓相同，L1和L2具有相同的電感。由于采用雙電感和分段能量傳輸，SEPIC轉換器的效率低于標準的降壓或升壓配置。

帶同步整流的低側降壓驅動器

輸入電壓范圍為7V至28V，由于基于地的電流感測電阻，輸出電壓可以高達輸入電壓。同步MOSFET能夠將功耗降至最低，特別是在輸入電壓相對于LED串電壓較大時。

帶同步整流的高側降壓驅動器

輸入電壓同樣為7V至28V，LED負載連接在正端與電流感測電阻（R1）和電感串聯，MODE連接到VCC。通過高端電流感測放大器將電感電流感測信號傳輸到低端，實現對LED電流的精確調節。

元件選擇建議

電感器選擇

電感器的選擇需要考慮開關頻率、峰值電感電流和輸出允許的紋波等因素。較高的開關頻率可以降低電感要求，但會犧牲效率。對于不同的拓撲結構，需要使用不同的公式來計算最小電感值。同時，要選擇飽和電流大于最壞情況下峰值電感電流的電感器，以防止電感飽和。

開關MOSFET選擇

選擇MOSFET時，要考慮總柵極電荷、RDS(ON)、功耗和封裝熱阻等因素。建議選擇針對高頻開關應用優化的MOSFET，以減少開關損耗?？梢允褂锰囟ǖ墓絹砉浪愀邆群偷蛡萂OSFET的功率損耗。

輸入和輸出電容器選擇

• 輸入電容器：對于降壓轉換器，由于不連續的輸入電流波形會在輸入電容器中產生較大的紋波電流，因此需要使用具有高紋波電流能力的低ESR陶瓷電容器。在升壓拓撲中，由于電感與輸入串聯，電容器中的紋波電流與電感紋波相同，輸入電容較小。
• 輸出電容器：輸出電容器的作用是將輸出紋波降低到可接受的水平。在大多數應用中，使用低ESR陶瓷電容器可以顯著降低輸出ESR和ESL的影響。對于不同的拓撲結構，需要使用不同的公式來計算輸出電容值。

補償設計

在設計電流控制環路時，關鍵是要確保電流誤差放大器（CEA）輸出的增益不超過內部斜坡斜率，以避免類似峰值電流模式中由于斜率補償不足而產生的次諧波振蕩。對于不同的拓撲結構（如降壓和升壓），需要使用不同的公式來計算補償電阻的值。同時，為了獲得足夠的相位裕度，需要合理設置由R CF和C Cz形成的零點位置。

設計注意事項

PWM調光

雖然MAX16821A - MAX16821C沒有單獨的PWM輸入，但可以通過簡單的外部電路實現PWM調光。在實際應用中，我們可以參考相關的電路圖進行設計。

功率耗散計算

可以通過輸入電壓和總VCC穩壓器輸出電流（ICC）的乘積來計算MAX16821A - MAX16821C的功率耗散。ICC包括靜態電流（IQ）和柵極驅動電流（IDD）。同時，還可以使用特定的公式計算在給定環境溫度下芯片的最大功率耗散。

PCB布局

合理的PCB布局對于保證驅動器的性能至關重要。要將IN、VCC和VDD旁路電容器靠近IC放置，最小化高電流開關環路的面積和長度，將必要的肖特基二極管靠近相應的MOSFET放置，使用單獨的接地平面并在IC的暴露焊盤附近連接SGND和PGND，將輸出電容器組靠近負載放置等。

總結

MAX16821A、MAX16821B和MAX16821C系列PWM LED驅動控制器憑借其出色的性能和豐富的功能，為高功率HB LED驅動提供了可靠的解決方案。在實際設計中，電子工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇元件、進行補償設計和PCB布局，以充分發揮該系列產品的優勢。你在使用該系列產品時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。