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LED背光boost驱动器

Jim Christensen, 应用工程师

摘要：本文介绍了一个LED显示器背光驱动器的参考设计。该设计采用具有自适应反馈的boost电源，有助于提高效率并提供高调光比(2000:1)的线性吸电流调节。输入电压范围为8V至18V，可承受50V瞬态电压，负载为三串并联的LED，每串包含8只LED (34V)，每串电流可达150mA。MAX16809是具有这一功能的16通道LED驱动器。

该参考设计用于TFT显示屏的LED背光驱动，输入电气要求和输出特性如下：

V_IN：8V_DC (1.667A)至18V_DC (730mA)；可承受50V_DC瞬态电压
PWM_IN：250Hz脉冲串；2µs (最小值)脉冲；0mA时大于3.3V_DC；10mA时小于0.3V_DC
V_LED配置：6或8只LED (2.89V_DC至4.2V_DC)串联(34V_DC，最大值)；三串并联，每串电流150mA

图1. 基于MAX16809的驱动器电路板

图2. 驱动器设计原理图
详细图片(PDF, 6.61kB)
图2. 驱动器设计原理图

图3. 驱动器设计PCB布局

电路简述
本参考设计采用MAX16809作为主控制器，用于电源升压转换和16端口的LED驱动。16个端口中的15个端口按照五个端口组成一组，用于驱动三串并联的LED。Boost电源的输出电压始终高于输入电源电压。Boost电源工作频率为200kHz，速率足以满足选择小尺寸功率元件的需求，而且，这样的开关频率也不会导致开关MOSFET过热。

设计在输出端采用两个低ESR电解电容。当PWM信号关闭负载使其电流为零时，这些电容用来吸收电源的电感能量。用于LED串的输出电压可通过4引脚连接器提供：V_LED+连接在连接器的第1引脚，V_LED-引脚分别连接到连接器的第2、3、4引脚。必要时可以使用所提供的输出滤波电容焊盘；本设计中没有安装这些电容。Q2-D2-R8电路为电流模式PWM控制器提供了斜率补偿。该电路跟随RTCT电压波动，向R7注入电流，从而产生斜坡电压，防止在占空比超过50%时(当输入电压较低时)导致控制器谐波振荡。

这个boost电路的反馈有两种模式：自适应和静止。自适应模式(当PWM信号为高时)下将产生“二极管或”输出，从而使最低驱动器电压(最大LED串联压降)被调整到大约1.0V_DC，为保证LED驱动器正常工作提供足够裕量。其它LED串具有较低的串联压降，所以这些驱动器具有更大裕量。自适应模式把由线性LED驱动器产生的功耗降至最低。该模式下，当LED的绝对正向导通电压不太严格时，LED之间正向导通电压的相对误差应控制在200mV以内。为改善散热，MAX16809必须与大面积覆铜层之间有良好的导热通道，可通过封装裸焊盘下方的过孔实现散热。该参考板中利用底层的地平面为IC散热，如果使用面积更大的多层地平面，散热效果会更好。

静止模式下(PWM信号为低)，按照与传统电源类似的方式调整V_LED，电压上升至在很短的脉冲内保证工作的电压值。因为电源磁场无法在很短的脉冲内快速建立足够的储能，所有能量必须由输出电容提供。静止模式必须保证这些电容能够充电达到足够的储能，在电感响应之前维持足够的能量。启动静止模式时，输入电流浪涌会高于自适应模式下的电流。这是因为需要对较大的输出电容进行充电。导通期间的绝大多数时间内，能量由输出电容补充，开关静止、输入电流跌落至零。

齐纳二极管D10为电路提供过压保护，如果一串LED断开，自适应电压控制将尝试提高V_LED以满足1.0V_DC要求。D10将最高输出电压限制在38.5V_DC。虽然该高压不会损坏电路，但LED驱动器的功耗可能导致MAX16809过热。发生这种情况时，芯片内部电路将关断驱动器，直到温度下降到适当值，这会导致LED闪烁。对于6S3P配置，在连接器J3处安装跳线，使D6与D10并联，将钳位电压降至29V_DC。

通过R5 (576Ω)将每串LED驱动电流设置在30mA，如果将5路驱动器并联驱动一串LED，其驱动电流可以达到150mA。

施密特反相触发器U2配置成振荡器，为MAX16809的SPI™输入提供时钟。由于D_IN接高电平，将向内部寄存器输入一串“1”，开启所有LED驱动器。U2还用于对PWM信号反相转换，以满足MAX16809的OE#输入要求。

U3 (MAX6397TATA过压保护电路)能够在发生抛负载时提供输入保护并为MAX16809的线性驱动器提供3.3V_DC供电电源。R15/R16将关断电压设置在18.85V_DC。选取Q3，使在低输入电压下应具备最小导通压降。满负荷时，测量到的最小工作电压为7.82V_DC。REG输出为MAX16809线性驱动器(V+输入)、U2以及R11上拉电阻提供3.3V_DC直流电源。

性能测试和结果
图4. VIN = 18V、VIN = 36V时的MOSFET电流和电压
图4. V_IN = 18V、V_IN = 36V时的MOSFET电流和电压

图5. 1µs脉冲和1ms脉冲时的VLED和输入电流，VLED在静止模式和自适应模式下交替转换。注意，静止模式下，输入浪涌电流为输出电容充电。
图5. 1µs脉冲和1ms脉冲时的V_LED和输入电流，V_LED在静止模式和自适应模式下交替转换。注意，静止模式下，输入浪涌电流为输出电容充电。

图6. 2ms脉冲和3.9ms脉冲时的VLED和输入电流
图6. 2ms脉冲和3.9ms脉冲时的V_LED和输入电流

温度测量
使用OSRAM电子负载，得到以下温度测量结果：

V_IN 8V_DC

Ambient +20°C

T_U1 +38°C

T_U3 +36°C

T_Q1 +37°C

T_Q3 +34°C

T_L1 +37°C

T_D1 +37°C

V_IN 36V_DC

Ambient +20°C

T_U1 +39°C

T_U3 +45°C

T_Q1 +32°C

T_Q3 +31°C

T_L1 +31°C

T_D1 +39°C

上电过程

将三串LED (每串8只LED)连接至连接器J1。如果连接器J3安装跳线，也可以将三串(每串6只)的LED连接到连接器J1。
LED串的正端必须与J1的第1引脚连接；LED串的负端必须与J1的第2、3、4引脚连接。
将没有上电的8V至20V (4A额定电流)直流电源连接至系统输入，务必确认极性正确。
打开电路电源。
在J4提供250Hz脉冲波，脉冲摆幅为0V至3.3V，占空比为0.05%至100%。
检流电阻R3两端的大尺寸过孔提供低噪探头，可以连接一个接地线圈和单端示波器探头。

相关型号 APP 4384: Oct 15, 2009

MAX16809 集成16通道LED驱动器，具有开关模式boost及SEPIC控制器完整的数据资料
(PDF, 740kB) 免费样品

MAX6397 过压保护开关/限幅控制器，可工作至72V 完整的数据资料
(PDF, 304kB) 免费样品

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