大电流/高速 LED 驱动器给 PWM 调光带来了突破性的改革

时间：2011-01-10 09:36:28

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[导读]引言从 DLP 投影机中的大电流 LED 到大功率激光二极管，在很多照明应用中，都采用了能产生稳定的大电流脉冲功率驱动器，例如：在高端视频投影机中，大功率 LED 用来产生彩色照明。在这类投影机中，RGB LED 需要精确

引言

从 DLP 投影机中的大电流 LED 到大功率激光二极管，在很多照明应用中，都采用了能产生稳定的大电流脉冲功率驱动器，例如：在高端视频投影机中，大功率 LED 用来产生彩色照明。在这类投影机中，RGB LED 需要精确的调光控制，以实现准确的色彩混合，在这种情况下，可能需要提供比简单的 PWM 调光更强的控制能力。一般情况下，为了实现色彩混合所需要的宽动态范围，LED 驱动器必须能在两种完全不同的稳定峰值电流状态之间快速切换，并同时进行 PWM 调光，而且不会造成任何问题。LT3743 能满足这些苛刻的准确度和速度要求。

LT3743 是一种同步降压型 DC/DC 控制器，它采用固定频率、平均电流模式控制方式，通过一个与电感器串联的检测电阻器准确地调节电感器电流。在 0V 至(V_IN – 2V) 的输出电压范围内，LT3743 以 ±6% 的准确度调节任何负载的电流。

通过将准确的模拟调光 (高和低状态) 和 PWM 调光相结合，LT3743 实现了精确、宽范围的 LED 电流控制。模拟调光通过 CTRL_L、CTRL_H 和 CTRL_T 引脚控制；PWM 调光则通过 PWM 和 CTRL_SEL 引脚控制。LT3743 独特地采用了外部开关型负载电容器，因此能实现高和低模拟状态的快速转换，从而允许 LT3743 在几微秒的时间内改变稳定的 LED 电流值。开关频率可以利用一个外部电阻器在 200kHz 至 1MHz 范围内设定，而且可同步至一个 300kHz 至 1MHz 的外部时钟。

图 1：基本的开关型电容器拓扑

开关型输出电容器拓扑

在传统的稳流器中，负载两端的电压存储在输出电容器中。如果负载电流突然变化，那么输出电容器中的电压必须充电或放电，以匹配新的稳定电流。转换时，对负载中的电流控制欠佳，从而导致了缓慢的负载电流响应时间。

LT3743用一种独特的开关型输出电容器拓扑解决了这个问题，该拓扑实现了超快的负载电流上升和下降时间。这种拓扑的基本理念是，LT3743 充当稳定电流源，驱动负载。就给定电流而言，负载两端的压降存储在第一个开关型输出电容器中。当需要不同的稳定电流状态时，第一个输出电容器就关断，而第二个电容器则接通。这使每个电容器都能存储与想要的稳定电流相对应的负载压降。

图 1 显示了具有各种控制引脚的基本拓扑。PWM 和 CTRL_SEL 引脚是数字控制引脚，决定稳定电流的状态。CTRL_H 和 CTRL_L 引脚是模拟输入，具有 0V 至 1.5V 的满标度范围，可在电流检测电阻器两端产生 0mV 至 50mV 的稳定电压。

图 2：LED 电流 PWM 和 CTRL_SEL 调光

图 3：采用开关型输出电容器的 24V、20A LED 驱动器

图 2 示显示了对应于各种不同的 PWM 和 CTRL_SEL 引脚状态的时序波形。当 PWM 为低电平时，所有切换都终止，两个输出电容器都与负载断接。

尽管 LT3743 可以配置为采用开关型输出电容器，但它适用于任何传统的模拟和/或 PWM 调光电路。

开关周期同步

LT3743 将所有切换边沿同步至 PWM 和 CTRL_SEL 的上升沿。就周期性或非周期性 PWM 调光脉冲而言，同步使系统设计师能自由地使用不同的脉冲宽度和占空比。就大电流 LED 驱动器而言，在从零电流或小电流状态恢复至大电流状态时，这是一种必不可少的特色。无论何时，只要 CTRL_SEL 或 PWM 信号变高，就重新启动时钟，这样电感器电流就会立即开始斜坡上升，而不必等待时钟的上升沿。没有同步时，时钟脉冲沿和 PWM 脉冲沿的相位关系是不受控制的，有可能在 LED 光输出中引起可见抖动。当在 SYNC 引脚应用一个外部时钟时，开关周期在 8 个开关周期内重新同步至该外部时钟。

一款采用开关型输出电容器、面向高端 DLP 投影机的 24V、20A LED 驱动器

高端 DLP 投影机要求最高质量的图像和彩色重现。为了实现高的彩色准确度，各个 LED 的彩色偏差都要通过与其他两种彩色 LED 色彩的混合来校正。例如：当红光 LED 处于满电流导通状态时，蓝光和绿光 LED 以低电流值接通，这样它们的色彩就可以混合，以产生准确的红光。这种方法要求能在相对较低 (约 2A) 和相对较高 (约 20A) 的 LED 电流之间快速转换，以保持 PWM 调光脉冲沿。图 3 显示了一款专供高端 DLP 投影机使用的 24V/20A LED 驱动器。

相对较低的 450kHz 开关频率允许使用非常小的 1.0uH 电感器。在 25% 纹波电流时，大电流状态和小电流状态的转换时间约为 2us。1mF 的大输出电容器存储了两种不同电流状态下 LED 两端的压降，并在 MOSFET 调光开关接通时，提供瞬时电流。就实现快速 LED 电流转换而言，采用几个并联的低 ESR 电容器是至关重要的。

图 4：0A 至 2A 至 20A 的 LED 电流阶跃

图 5：采用绿光 LED 时，12V、20A PWM 调光的效率

图 6：具限流并联输出的 6V 至 36V 输入、2A LED 驱动器

图 7：0A 至 2A 限流并联输出 PWM 调光

稳定的大电流和小电流由 V_REF 引脚与 CTRL_L 和 CTRL_H 引脚之间的分压器设定。V_REF 引脚上的 ±2%、2V 基准还用来向连接到 CTRL_T 引脚的过热减额电路 (参见后面“过热时降低 LED 电流”一节) 提供基准信号。

为了减小可能较大的启动电流，LT3473 运用了一种独特的软起动电路，以节制稳定电流，从而在软起动引脚充电至 1.5V 时，提供全驱动。为了最大限度地缩短不同电流值转换的时间，LT3743 对每种电流值都提供了单独的补偿，这样电流控制环路就可以尽快回复到稳定工作状态。图 4 显示了从 0A 至 2A 至 20A 的 LED 电流阶跃。

在宽 PWM 占空比范围内提供高效率

在便携式 DLP 投影机中，功耗是一个至关重要的设计参数。与目前市场上很多并联型大电流 LED 驱动器不同，LT3743 在很宽的 PWM 占空比范围内具有非常高的效率。通过仅向负载提供功率，而不是将功率分流或给输出电容器充电，常见的传统 PWM 调光驱动器中损失的大多数能量都能节省下来。图 5 显示以 0A 至 20A 的电流在整个占空比范围内驱动一个绿光 LED 和 V_IN = 12V 时的效率。

图8：具开关型阴极 PWM 调光的 6V 至 30V 输入、20A LED 驱动器

停机和准确启动

当提供大的负载电流时，正确工作所需的电源欠压闭锁 (UVLO) 迟滞量在很大程度上取决于电路板布局。为了实现最大的灵活性，LT3743 纳入了一个具 5.5uA 电流源的准确启动门限，当 EN/UVLO 引脚电压低于 1.55V 时，该电流源的电流流入该引脚。利用一个接在输入电源和地之间的分压器，可给系统增加任意迟滞量。为了在便携式应用中节能，当 EN/UVLO 引脚电压低于 0.5V 时，LT3743 将彻底停用，且电源电流降至低于 1uA。

过热时降低 LED 电流

在大电流负载情况下，要保护昂贵的大电流 LED 并防止在整个系统范围内造成损坏，恰当的热量管理是至关重要的。在大和小控制电流情况下，LT3743 都用 CTRL_T 引脚来降低负载中有效的稳定电流。当 CTRL_T 引脚电压低于 CTRL_L 或 CTRL_H 引脚上的控制电压时，稳定电流将减小。过热减额用连接在 V_REF 引脚和地之间随温度而变化的电阻分压器来设定。

输出电压保护

要防止损坏昂贵的投影机 LED，输出电压保护很重要。LT3743 通过 FB 引脚为输出提供一个稳定电压点。为了简化系统设计，LT3743 采用了一个内部 1V 基准，从而在 FB 引脚电压达到 900mV 时，缓慢降低稳定电流。

强大的栅极驱动器

为了提供足够的驱动能力，并降低大电流功率 MOSFET 中的开关损耗，LT3743 采用了非常强大的开关 MOSFET 驱动器。LG 和 HG PMOS 上拉驱动器的导通电阻通常为 2.5Ω。LG 和 HG NMOS 下拉驱动器的导通电阻一般低于 1.3Ω。因为导通电阻非常低，所以两个大电流 MOSFET 可以并联起来，用在超过 20A 的应用中。目前市场上大多数 LED 驱动器都没有为调光 MOSFET 提供足够的栅极驱动能力，因而需要一个额外的外部栅极驱动器。LT3743 在 PWMGL 和 PWMGH 驱动器中集成了这种驱动器，并具有 2Ω 的典型 NMOS 下拉电阻和 3.7Ω 的典型 PMOS 上拉电阻，以驱动任何 5V 调光 MOSFET。

传统的 PWM 调光

LT3743 适用于任何传统的 PWM 调光方法。同类 LED 驱动器采用的并联型输出调光浪费能量，且在 LED 占空比低于约 50% 时效率不佳。由于 LT3743 有两个稳定电流值，因此当使用分路器时，稳定电流可降至零。这使得即使在低 LED 占空比时，也能提供非常高的效率。

图 6 显示了一个配置为限流并联输出的 2A LED 驱动器。请注意：CTRL_L 引脚接地，PWMGL 引脚用来驱动并联 MOSFET，而CTRL_SEL 引脚用于调光。由于 CTRL_L 引脚接地，因此当 CTRL_SEL 引脚为低电平时，使用分路器，而且电感器中的电流稳定于 0A。当 CTRL_SEL 引脚为高电平时，并联 MOSFET 关断，且稳定电流由 CTRL_H 引脚上的电压决定。图 7 显示了采用 12V 输入的限流并联型 PWM 调光。

图 9：0A 至 20A 开关型阴极 PWM 调光

除了分路器配置，LT3743 还可配置为驱动与 LED 阴极串联的调光 MOSFET。当不需要多种电流状态时，这是首选的 PWM 调光方法。图 8 说明了具开关型阴极 PWM 调光的 6V 至 30V、20A LED 驱动器。图 9 显示了具 0A 至 20A 电流阶跃和 100:1 调光比的开关型阴极 PWM 调光。

结论

LT3743 产生超快的大电流 LED 上升时间，同时提供准确的电流调节。该器件能支持多种电流状态，通过允许 LED 色彩非常容易地混合，可满足用于剧院的高性能 DLP 投影机的需求。除了速度快，LT3743 的开关型电容器拓扑还允许使用紧凑和低值电感器，从而减小了所占用的电路板面积。其他特点包括开关周期同步、过压保护、高效率和非常容易地适应各种不同的应用需求。