MAX16821A/MAX16821B/MAX16821C：高功率同步HBLED驅(qū)動(dòng)器

在LED驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，對于高功率、高亮度LED（HB LED）的驅(qū)動(dòng)需求日益增長。Maxim Integrated推出的MAX16821A、MAX16821B和MAX16821C系列PWM LED驅(qū)動(dòng)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(chǎn)品不推薦用于新設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)建議參考MAX20078。

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產(chǎn)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(shù)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(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過邏輯輸入（MODE），設(shè)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(yīng)共陽極HB LED而設(shè)計(jì)的首批高功率驅(qū)動(dòng)器。

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

輸出電流與控制模式

• 高輸出電流：能夠提供高達(dá)30A的輸出電流，滿足高功率LED的驅(qū)動(dòng)需求。
• 平均電流模式控制：采用平均電流模式控制技術(shù)，允許使用具有最佳電荷和導(dǎo)通電阻品質(zhì)因數(shù)的MOSFET，即使在提供高達(dá)30A的LED電流時(shí)，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(fā)光的穩(wěn)定性和一致性。
• 寬輸入電壓范圍：當(dāng)內(nèi)部穩(wěn)壓器禁用（VCC連接到IN）時(shí)，可在4.75V至5.5V的電源范圍內(nèi)工作；當(dāng)內(nèi)部穩(wěn)壓器啟用時(shí)，可在7V至28V的輸入電源電壓下工作。

時(shí)鐘輸出與頻率范圍

• 180°相位延遲時(shí)鐘輸出：能夠控制第二個(gè)異相LED驅(qū)動(dòng)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(guān)頻率范圍：開關(guān)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(hù)：保護(hù)外部電路免受過高電壓的損害，提高系統(tǒng)的可靠性。
• 輸出使能功能：方便控制驅(qū)動(dòng)器的開啟和關(guān)閉。

應(yīng)用領(lǐng)域

該系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種需要高功率LED驅(qū)動(dòng)的領(lǐng)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(tài)電流

• 輸入電壓范圍：內(nèi)部LDO開啟時(shí)為7V至28V；內(nèi)部LDO關(guān)閉（VCC連接到VIN）時(shí)為4.75V至5.5V。
• 靜態(tài)電源電流：在V EN = V CC或SGND且無開關(guān)操作時(shí)，典型值為2.7mA，最大值為5.5mA。

LED電流調(diào)節(jié)器

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

振蕩器與同步

• 開關(guān)頻率范圍：可在125kHz至1500kHz之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過連接不同阻值的電阻（R T ）可以精確設(shè)置開關(guān)頻率。
• SYNC功能：可以與外部時(shí)鐘同步，增強(qiáng)了系統(tǒng)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(hù)電路在異常情況下的安全。

引腳功能說明

各個(gè)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(cè)和高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)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(nèi)部5μA下拉電流到地。
• EN：輸出使能，具有內(nèi)部15μA上拉電流。

工作原理深入剖析

控制環(huán)路

采用平均電流模式控制方案，主要控制環(huán)路由用于控制電感電流的內(nèi)部電流調(diào)節(jié)環(huán)路和用于調(diào)節(jié)LED電流的外部電流調(diào)節(jié)環(huán)路組成。內(nèi)部電流調(diào)節(jié)環(huán)路吸收了電感和輸出電容器組合的雙極點(diǎn)，將外部電流調(diào)節(jié)環(huán)路的階數(shù)降低到單極點(diǎn)系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)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(diào)電壓為0.1mV，共模電壓范圍為0至5.5V（V IN = 7V至28V），能夠準(zhǔn)確感測電感電流。

PWM比較器和R - S觸發(fā)器

內(nèi)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(jìn)行比較來設(shè)置占空比。在每個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí)，R - S觸發(fā)器復(fù)位，根據(jù)MODE的連接情況，高側(cè)驅(qū)動(dòng)器（DH）或低側(cè)驅(qū)動(dòng)器（DL）開啟，當(dāng)斜坡信號超過CLP電壓時(shí)，比較器設(shè)置觸發(fā)器，從而終止導(dǎo)通周期。

保護(hù)功能

過壓保護(hù)（OVP）

當(dāng)輸出電壓超過OVP閾值時(shí)，OVP會(huì)禁用MAX16821A - MAX16821C，保護(hù)外部電路免受過高電壓的損害。在故障條件下，當(dāng)負(fù)載變?yōu)楦咦杩梗ㄝ敵鲩_路）時(shí)，控制器會(huì)嘗試維持LED電流，此時(shí)OVP發(fā)揮作用，確保系統(tǒng)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(zhuǎn)換器提供的平均電流。

應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

升壓LED驅(qū)動(dòng)器

在升壓拓?fù)渲校斎腚妷涸趯?dǎo)通時(shí)間內(nèi)對電感充電，在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)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(shí)現(xiàn)對電感電流和LED電流的精確控制。

輸入?yún)⒖嫉慕祲?- 升壓LED驅(qū)動(dòng)器

該電路類似于升壓轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)器

SEPIC拓?fù)湓试S輸出電壓大于、等于或小于輸入電壓。在這種拓?fù)渲校珻3兩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(zhuǎn)換器的效率低于標(biāo)準(zhǔn)的降壓或升壓配置。

帶同步整流的低側(cè)降壓驅(qū)動(dòng)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(dá)輸入電壓。同步MOSFET能夠?qū)⒐慕抵磷畹停貏e是在輸入電壓相對于LED串電壓較大時(shí)。

帶同步整流的高側(cè)降壓驅(qū)動(dòng)器

輸入電壓同樣為7V至28V，LED負(fù)載連接在正端與電流感測電阻（R1）和電感串聯(lián)，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?shù)降投?，?shí)現(xiàn)對LED電流的精確調(diào)節(jié)。

元件選擇建議

電感器選擇

電感器的選擇需要考慮開關(guān)頻率、峰值電感電流和輸出允許的紋波等因素。較高的開關(guān)頻率可以降低電感要求，但會(huì)犧牲效率。對于不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要使用不同的公式來計(jì)算最小電感值。同時(shí)，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(guān)MOSFET選擇

選擇MOSFET時(shí)，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(guān)應(yīng)用優(yōu)化的MOSFET，以減少開關(guān)損耗?？梢允褂锰囟ǖ墓絹砉浪愀邆?cè)和低側(cè)MOSFET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(zhuǎn)換器，由于不連續(xù)的輸入電流波形會(huì)在輸入電容器中產(chǎn)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?fù)渲?，由于電感與輸入串聯(lián)，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(shù)應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要使用不同的公式來計(jì)算輸出電容值。

補(bǔ)償設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)電流控制環(huán)路時(shí)，關(guān)鍵是要確保電流誤差放大器（CEA）輸出的增益不超過內(nèi)部斜坡斜率，以避免類似峰值電流模式中由于斜率補(bǔ)償不足而產(chǎn)生的次諧波振蕩。對于不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如降壓和升壓），需要使用不同的公式來計(jì)算補(bǔ)償電阻的值。同時(shí)，為了獲得足夠的相位裕度，需要合理設(shè)置由R CF和C Cz形成的零點(diǎn)位置。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

PWM調(diào)光

雖然MAX16821A - MAX16821C沒有單獨(dú)的PWM輸入，但可以通過簡單的外部電路實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以參考相關(guān)的電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。

功率耗散計(jì)算

可以通過輸入電壓和總VCC穩(wěn)壓器輸出電流（ICC）的乘積來計(jì)算MAX16821A - MAX16821C的功率耗散。ICC包括靜態(tài)電流（IQ）和柵極驅(qū)動(dòng)電流（IDD）。同時(shí)，還可以使用特定的公式計(jì)算在給定環(huán)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(qū)動(dòng)器的性能至關(guān)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(guān)環(huán)路的面積和長度，將必要的肖特基二極管靠近相應(yīng)的MOSFET放置，使用單獨(dú)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(fù)載放置等。

總結(jié)

MAX16821A、MAX16821B和MAX16821C系列PWM LED驅(qū)動(dòng)控制器憑借其出色的性能和豐富的功能，為高功率HB LED驅(qū)動(dòng)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇元件、進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)和PCB布局，以充分發(fā)揮該系列產(chǎn)品的優(yōu)勢。你在使用該系列產(chǎn)品時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。