一种基于LT3743 LED驱动器的新型调光方案详解

在许多照明应用中，人们都采用了能够产生已调大电流脉冲的功率驱动器，从DLP投影机中的大电流 LED到高功率激光二极管等等。例如：在高端视频投影机中，高功率LED用于产生彩色照明。这些投影机中的RGBLED需要精准的调光控制以实现准确的彩色混合──在该场合中，除了简单的PWM 调光以外，还能够提供更多的控制功能。通常，为了实现彩色混合中所要求的宽动态范围，LED驱动器必须要能够在两种完全不同的已调峰值电流状态之间快速切换，并叠加PWM调光而不造成任何损坏。LT3743能够满足这些苛刻的准确度和速度要求。 　　LT3743是一款同步降压型DC/DC控制器，它运用固定频率、平均电流模式控制，以通过一个与电感器相串联的检测电阻器准确地调节电感器电流。在一个0V至“低于输入电压轨2V”的输出电压范围内，LT3743能够以±6%的准确度来调节任意负载中的电流。 　　通过把准确的模拟调光(高光度状态和低光度状态)与PWM调光组合起来，实现了精准、宽范围的LED电流控制。模拟调光通过CTRL_L、CTRL_H和CTRL_T引脚来控制;PWM调光则通过PWM和CTRL_SEL引脚来控制。通过采用在外部进行开关操作的负载电容器这种独特的做法，LT3743实现了高和低模拟状态之间的快速变换，从而能够在几μs的时间内改变已调LED电流水平。开关频率可以在200kHz至1MHz的范围内进行设置(通过采用一个外部电阻器)和同步至一个频率范围为300kHz至1MHz的外部时钟。 　　开关输出电容器拓扑结构 　　在传统的电流调节器中，负载两端的电压存储于输出电容器之中。如果负载电流突然改变，则输出电容器中的电压必须进行充电或放电以与新的已调电流相匹配。在转换期间，负载中的电流未得到良好的控制，因而导致了缓慢的负载电流响应时间。 　　LT3743通过采用一种独特的开关输出电容器拓扑结构解决了这一问题，该拓扑结构实现了超快的负载电流上升和下降时间。这种拓扑结构背后的基本概念是：LT3743起一个已调电流源的作用，负责向负载提供驱动电流。对于某个给定的电流，负载两端的电压降存储于第一个开关输出电容器中。当需要一种不同的已调电流状态时，将第一个输出电容器关断，并接通第二个电容器。这使得每个电容器能够存储与期望已调电流相对应的负载电压降。 　　图1示出了具有各种控制引脚的基本拓扑结构。PWM和CTRL_SEL引脚为数字控制引脚，用于确定已调电流的状态。CTRL_H和CTRL_L引脚是具有一个0V至1.5V全标度范围的模拟输入，可在电流检测电阻器两端产生一个0mV至50mV的已调电压。 图1：基本的开关电容器拓扑结构 　　图2示出了对应于PWM和CTRL_SEL引脚各种不同状态的定时波形。当PWM为低电平时，所有的开关操作将被终止，而且两个输出电容器均与负载断接。 图2：LED电流PWM和CTRL_SEL调光 　　尽管LT3743可以采用开关输出电容器来配置，但它能够很容易地适应任何传统的模拟和/或PWM调光方案。 　　开关周期同步 　　LT3743 使所有的开关脉冲边沿同步至PWM和CTRL_SEL上升沿。同步赋予了系统设计师采用任意周期或非周期PWM调光脉冲宽度和占空比的自由度。对于大电流LED驱动器而言，这是从零电流或低电流状态恢复至高电流状态过程中必不可少的特点。通过在CTRL_SEL或PWM信号变至高电平时重新起动时钟，电感器电流将立即开始斜坡上升，而无须等待一个时钟上升沿。未采用同步时，时钟脉冲沿和PWM脉冲沿的相位关系将不受控制，因而有可能在 LED 光输出中引起明显的抖动。当采用一个具SYNC引脚的外部时钟时，开关周期将在8个开关周期之内重新同步至外部时钟。 　　一款适合高端DLP投影机、采用开关输出电容器的24V、20ALED驱动器。高端DLP投影机要求极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当中的彩色偏差是通过混入其他两个彩色LED的色彩来校正的。例如：当红光LED处于满电流导通状态时，蓝光和绿光LED将以低电流水平接通，这样它们就能够被混入以产生准确的红光。这种方法需要具备在较低(约2A)和较高(约20A)LED电流之间进行快速转换的能力，以保持PWM调光脉冲沿。图3示出了一款专供高端DLP投影机使用的24V/20ALED驱动器。 图3：采用开关输出电容器的24V/20ALED驱动器 　　450kHz的较低开关频率允许使用一个非常小的1.0μH电感器。在25%纹波电流条件下，高电流状态与低电流状态之间的转换时间大约为2μs。1mF的大输出电容器存储了两种不同电流状态下LED两端的电压降，并提供了MOSFET调光开关接通时的瞬时电流。对于实现快速LED电流转换来说，采用几个并联的低ESR电容器是至关紧要的。 　　已调高电流和低电流由连接在VREF引脚与CTRL_L和CTRL_H引脚之间的分压器来设定。VREF引脚上的±2%、2V基准还用于提供温度降额电路施加在CTRL_T引脚上的基准信号(见下文中的“LED电流的热降额”)。 　　为了减小有可能很大的启动电流，LT3473采用了一种可压制已调电流的独特软起动电路，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水平之间的转换时间，LT3743运用了针对每种电流水平的单独补偿，这样电流控制环路就可以尽可能快地恢复稳态操作。图4示出了从0A～2A至20A的LED电流阶跃。 图4：0A~2A至20A的LED电流阶跃 　　宽PWM占空比范围内的高效率 　　在便携式DLP投影机中，功率耗散是一个极其重要的设计参数。与目前市面上销售的许多并联型大电流LED驱动器不同，LT3743在一个宽PWM占空比范围内拥有卓越的效率。通过只把功率输送至负载，而不是将功率旁路掉或者给输出电容器充电，常见的传统PWM调光型驱动器中损失的大部分能量可以节省下来。图5示出了当VIN=12V、并以0A至20A电流驱动一个绿光LED时，整个占空比范围内的效率变化情况。 图5：12V、20APWM调光效率(采用一个绿光LED) 　　停机和精准启用 　　当输送大负载电流时，执行正确操作所需的电源欠压闭锁(UVLO)迟滞值在很大程度上取决于电路板布局。为了获得最大的灵活性，LT3743具有一个精准的启用门限，而且在EN/UVLO引脚电压低于1.55V时将有一个5.5μA电流源流入该引脚。在输入电源和地之间使用一个分压器，即可给系统增加任意迟滞值。为了在便携式应用中实现节能，当EN/UVLO引脚电压低于0.5V时，LT3743将被完全停用，且电源电流将减小至1μA以下。 　　LED电流的热降额 　　当存在任何大电流负载时，对于保护昂贵的大电流LED和避免发生遍及整个系统的损坏而言，正确的热管理是极为重要的。针对高和低控制电流，LT3743采用CTRL_T引脚来减小负载中的有效已调电流。当CTRL_T引脚电压低于CTRL_L或CTRL_H引脚上的控制电压时，已调电流将被减小。温度降额采用一个连接在VREF引脚和地之间的温度相关电阻分压器来设置。 　　输出电压保护 　　输出电压保护功能对于防止昂贵的投影机LED受损是很重要的。LT3743利用FB引脚来提供一个针对输出的已调电压点。出于简化系统设计的目的，LT3743采用了一个内部1V基准，以在FB引脚电压达到900mV时缓缓地减小已调电流。 　　强大的栅极驱动器 　　为了提供足够的驱动能力并减少大电流功率MOSFET中的开关损失，LT3743采用了非常强大的开关MOSFET驱动器。LG和HGPMOS上拉驱动器的接通电阻通常为2.5Ω。LG和HGNMOS下拉驱动器的接通电阻一般小于1.3Ω。在接通电阻如此之低的情况下，对于超过20A的应用，可以将两个大电流MOSFET并联起来使用。目前市面上的大多数LED驱动器未提供调光MOSFET所需的足够栅极驱动能力，因而需要增设一个外部栅极驱动器。LT3743 将之集成在PWMGL和PWMGH驱动器中，并具有一个典型接通电阻为2Ω的NMOS下拉驱动器和一个典型接通电阻为3.7Ω的PMOS上拉驱动器，以驱动任何5V调光MOSFET。 　　传统的PWM调光 　　LT3743适应任何传统的PWM调光方法。同类竞争LED驱动器所采用的并联输出调光会造成能量的浪费，而且在LED占空比低于约50%时效率欠佳。由于LT3743具有两种电流调节水平，因此当分路被占用时已调电流可下降至零。即使在低LED占空比条件下，这也能提供出色的效率。 　　图6示出了一款配置有一个电流受限并联输出的2ALED驱动器。请注意：CTRL_L引脚连接至地，PWMGL引脚用于驱动并联MOSFET，而CTRL_SEL引脚则用于调光。在CTRL_L引脚接地的情况下，当CTRL_SEL引脚为低电平时，则分路被占用，而且电感器中的电流被调节于0A。当CTRL_SEL引脚为高电平时，并联MOSFET被关断，且已调电流由CTRL_H引脚上的电压来确定。图7示出了采用一个12V输入时的电流受限并联PWM调光。 　　结论 　　LT3743实现了超快的大电流LED上升时间，并提供了准确的电流调节。由于它具备支持多种电流状态的能力，因此通过实现LED彩色的简易混合而满足了高性能影院级DLP投影机的要求。除了速度以外，通过允许使用一个紧凑型低值电感器，LT3743的开关电容拓扑结构还缩减了电路板的外形尺寸。其他特点包括开关周期同步、过压保护、高效率以及轻松适应各种应用需求的能力。