LED背光boost驅(qū)動(dòng)器

Jim Christensen，應(yīng)用工程師

LED顯示器背光驅(qū)動(dòng)器采用具有自適應(yīng)反饋的boost電源，提高效率并提供高調(diào)光比（2 000：1）的線性吸電流調(diào)節(jié)。輸入電壓范圍8～18 V，承受50 V瞬態(tài)電壓，負(fù)載為3串并聯(lián)的LED，每串包含8只 LED（34 V），每串電流可達(dá)150 mA。MAX16809是具有該功能的16通道LED驅(qū)動(dòng)器。

該參考設(shè)計(jì)用于TFT顯示屏的LED背光驅(qū)動(dòng)，輸入電氣要求和輸出特性如下：1）VIN為 8 VDC（1.667 A）～18VDC（730 mA）， 可以承受 50VDC瞬態(tài)電壓；2）PWMIN為 250 Hz脈沖串，2 μs（最小值）脈沖，0 mA 時(shí)大于 3.3VDC，10 mA 時(shí)小于0.3VDC；3）VLED配置為 6 或 8 只 LED （2.89VDC～4.2VDC） 串聯(lián)（34VDC，最大值），3串并聯(lián)，每串電流150 mA。圖1為該參考設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器電路原理圖。

圖1 驅(qū)動(dòng)器電路原理圖

本參考設(shè)計(jì)采用MAX16809作為主控制器，用于電源升壓轉(zhuǎn)換和16端口的LED驅(qū)動(dòng)。16個(gè)端口中15個(gè)端口按照5個(gè)端口為1組，驅(qū)動(dòng)3串并聯(lián)的LED。Boost電源的輸出電壓始終高于輸入電源電壓。Boost電源工作頻率為200 kHz，其速率滿足選擇小尺寸功率元件的需求，而且該開關(guān)頻率不會(huì)導(dǎo)致開關(guān)MOSFET過熱。

輸出端采用2只低ESR電解電容。當(dāng)PWM信號(hào)關(guān)閉負(fù)載使其電流為零時(shí)，這些電容用于吸收電源的電感能量。LED串的輸出電壓則由4個(gè)引腳連接器提供，其中VLED+連接在連接器的1引腳，VLED-引腳分別連接至連接器的2～4引腳。必要時(shí)可使用所提供的輸出濾波電容焊盤；本設(shè)計(jì)中沒有安裝這些電容。VQ2-VD2-R8電路為電流模式PWM控制器提供斜率補(bǔ)償。該電路跟隨RTCT電壓波動(dòng)，向R7注入電流，從而產(chǎn)生斜坡電壓，防止在占空比超過50%時(shí)（當(dāng)輸入電壓較低時(shí)）導(dǎo)致控制器諧波振蕩。

該boost電路反饋有兩種模式：自適應(yīng)和靜止。自適應(yīng)模式（當(dāng)PWM信號(hào)為高時(shí)）下產(chǎn)生“二極管或”輸出，從而使最低驅(qū)動(dòng)器電壓（最大LED串聯(lián)壓降）調(diào)整到約1.0VDC，為保證LED驅(qū)動(dòng)器正常工作提供足夠裕量。其他LED串具有較低的串聯(lián)壓降，所以這些驅(qū)動(dòng)器具有更大裕量。自適應(yīng)模式把線性LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的功耗降至最低。該模式下，當(dāng)LED的絕對(duì)正向?qū)妷翰惶珖?yán)格時(shí)，LED之間正向?qū)妷旱南鄬?duì)誤差應(yīng)控制在200 mV以內(nèi)。MAX16809必須與大面積覆銅層之間有良好的導(dǎo)熱通道，并通過封裝裸焊盤下方的過孔實(shí)現(xiàn)散熱。該參考板利用底層的地平面為IC散熱，如果使用面積更大的多層地平面，散熱效果更好。而在靜止模式下（PWM信號(hào)為低），按照與傳統(tǒng)電源類似的方式調(diào)整VLED，電壓上升至在很短的脈沖內(nèi)保證工作電壓值。因?yàn)殡娫创艌?chǎng)無法在很短的脈沖內(nèi)快速建立足夠的儲(chǔ)能，所有能量必須由輸出電容提供。靜止模式必須保證這些電容能夠充電達(dá)到足夠儲(chǔ)能，在電感響應(yīng)之前維持足夠能量。啟動(dòng)靜止模式時(shí)，輸入電流浪涌會(huì)高于自適應(yīng)模式下的電流。這是因?yàn)樾枰獙?duì)較大的輸出電容充電。導(dǎo)通期間的絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，能量由輸出電容補(bǔ)充，開關(guān)靜止、輸入電流跌落至零。

齊納二極管VD10為電路提供過壓保護(hù)，若1串LED斷開，自適應(yīng)電壓控制將嘗試提高VLED以滿足1.0VDC要求。VD10將最高輸出電壓限制在38.5VDC。雖然該高壓不會(huì)損壞電路，但LED驅(qū)動(dòng)器的功耗可能導(dǎo)致MAX16809過熱。發(fā)生這種情況，器件內(nèi)部電路將關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器，直到溫度下降到適當(dāng)值，將導(dǎo)致LED閃爍。對(duì)于6S3P配置，在連接器J3處安裝跳線，使VD6與VD10并聯(lián)，將箝位電壓降至29VDC。通過R5（576 Ω）將每串LED驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置在30 mA，如果將5路驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)一串LED，其驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)150 mA。

施密特反相觸發(fā)器U2配置成振蕩器，為MAX16809的SPI輸入提供時(shí)鐘。由于VDIN接高電平，將向內(nèi)部寄存器輸入一串“1”，開啟所有LED驅(qū)動(dòng)器。U2還用于對(duì)PWM信號(hào)反相轉(zhuǎn)換，以滿足MAX16809的OE#輸入要求。U3（MAX6397TATA過壓保護(hù)電路）能夠在發(fā)生拋負(fù)載時(shí)提供輸入保護(hù)并為MAX16809的線性驅(qū)動(dòng)器提供3.3VDC供電電源。R15/R16將關(guān)斷電壓設(shè)置在18.85VDC。選取VQ3，使在低輸入電壓下應(yīng)具備最小導(dǎo)通壓降。當(dāng)滿負(fù)荷時(shí)，測(cè)量到的最小工作電壓為7.82VDC。REG輸出為MAX16809線性驅(qū)動(dòng)器 （V+輸入）、U2以及R11上拉電阻提供3.3VDC直流電源。

圖2給出VIN=18 V、VIN=36 V時(shí)的MOSFET電流和電壓波形。圖3為 1 μs脈沖和1 ms脈沖時(shí)的VLED和輸入電流，VLED在靜止模式和自適應(yīng)模式下交替轉(zhuǎn)換。其中，靜止模式下，輸入浪涌電流為輸出電容充電。圖4為2 ms脈沖和3.9 ms脈沖時(shí)的VLED和輸入電流。

使用OSRAM電子負(fù)載，得到表1所列的溫度測(cè)量結(jié)果。

上電過程如下：將3串LED（每串8只 LED）連接至連接器J1。如果連接器J3安裝跳線，也可以將3串（每串6只）的LED連接到連接器J1；LED串的正端必須與J1的1引腳連接；LED串的負(fù)端必須與J1的2～4引腳連接；將沒有上電的8～20 V（4 A額定電流）直流電源連接至系統(tǒng)輸入，務(wù)必確認(rèn)極性正確；打開電路電源；在J4提供250 Hz脈沖波，脈沖擺幅為0～3.3 V，占空比為0.05%～100%；檢流電阻R3兩端的大尺寸過孔提供低噪探頭，可以連接一個(gè)接地線圈和單端示波器探頭。

圖2 VIN=18 V、VIN=36 V時(shí)的MOSFET電流和電壓

圖3 1 μs脈沖和1 ms脈沖時(shí)的VLED和輸入電流

圖4 2 ms脈沖和3.9 ms脈沖時(shí)的VLED和輸入電流

表1 溫度測(cè)量結(jié)果