LED 以其工作電壓低、耗電量小、發光效率高、壽命長等優點,成為目前節能環保燈光照明系統的主流應用方案。我們基于LT3598 的拓撲結構,設計了其外圍電路,就LT3598 多通道LED 驅動電路的設計要求,合理選取關鍵元器件,如電感、電容、二極管等,優化設定開關頻率,并進行了過壓、過流、熱保護的設計。最后,通過具體電路實驗,證實了此電路的穩定性和可靠性,并進行了模擬調光和PWM調光實驗效果對比,說明了各自的優缺點。

　　前言

　　LED 是light emitting diode (發光二極管) 的英文縮寫。作為第4 代半導體照明光源,LED 具有工作電壓低、耗電量小、發光效率高、壽命長等優點。與傳統的白熾燈、熒光燈相比,LED 燈可節電達到90 %以上,它不僅效率高于鎢絲燈泡,而且也不像冷陰極熒光管(CCFL) 含有有害化學物質,因此漸漸大受歡迎,成為有助于保護環境的燈光系統解決方案。

　　1 　LT3598 拓撲結構特點

　　LT3598 內部拓撲結構如圖1 所示,它采用固定頻率、峰值電流模式控制方案,有出色的線路和負載調節能力。其內部6 個電流源提供6 個通道,可驅動6 串LED ,每串多達10 個白光LED ,每串驅動電流可高達30mA ,效率可達90 % ,并且可以保證每串間電流精度在115 %以內,以確保每串LED 亮度一致。內置升壓型轉換器使用一個自適應反饋環路來調節輸出電壓至稍微高于所需的LED 電壓,以確保最高效率。任一LED 串出現了開路,并不影響其正常工作,LT3589 可繼續調節現存LED 串并向OPENLED 引腳發出報警信號。

圖1 　LT3598 內部拓撲結構方框圖

　　2 　選擇電感

　　為了保證供電電源的穩定,選擇電感有幾個問題需要解決:第一,電感量必須足夠大,這樣才能保證開關管Q1 截止期間,能向負載供應足夠的能量。第二,電感必須能承受一定的峰值電流而不至于飽和,甚至損壞;第三,電感的直流電阻值應盡量小,以便電感本身的功率損耗( I2 R) 最小化。此處就LT3598 集成電路來說,用鐵氧體磁芯電感就可以獲得最佳的效率,其電感值在417～22μH 就可以滿足大多數應用場合的需要。

3 　輸出電容的選擇

　　在輸出端應用低等效串聯電阻( ESR) 值的陶瓷電容,以盡量減少輸出紋波電壓。就LT3598 應用電路來說,一個417～10μF 的輸出電容就可以滿足大多數高輸出電流的設計要求。

　　4 　整流二極管的選擇

　　選擇高頻整流二極管,需要從以下幾個方面加以考慮。第一,正向壓降要低;第二,開關速度要快,因此肖特基二極管是最好的選擇;第三,整流二極管的平均額定電流必須大于應用場合的總的平均輸出電流;第四,整流二極管的反向擊穿電壓必須高于最大輸出電壓。

　　5 　優化開關頻率

　　選擇最佳的開關頻率取決于幾個因素:第一,雖然減小高頻電感,可以得到更高的開關頻率,但開關損耗也隨之增大,因而效率略有降低;第二,有些應用場合,如果電力供應不足,要帶動大量的LED ,就需要很高的占空比,必要時還得降低開關頻率,因為低的開關頻率,不僅可以獲得更高的占空比,而且可以讓高占空比維持更長的時間, 這樣才能驅動更多的LED。

　　LT3598 本身就具有升壓型DC2DC 轉換器的功能,其正常工作高頻開關頻率設置在200kHz ～215MHz 之間,就可以很好地工作。用其RT 引腳外接到地電阻的阻值來調控頻高頻開關頻率的大小。本實例中RT 外接電阻R9 阻值為5111kΩ ,DC2DC 轉換器工作的開關頻率為1MHz。RT 引腳不能懸空。圖2給出了開關頻率與RT 外接電阻的關系曲線。

圖2 　開關頻率和RT外接電阻關系圖

　　LT3598 亦可采用外同步的方式工作,若SYNC 引腳外接同步信號,此信號頻率必須略高于DC2DC 轉換器工作的開關頻率,一般在240kHz～3MHz 之間,占空比在20 %～80 %之間,幅度在014～115V 之間為宜。此時, RT 外接電阻控制開關頻率應低于外接SYNC 同步脈沖頻率20 %。該SYNC 引腳不能空置,不用時必須接地。

　　6 　過壓保護

　　LT3598 應用電路的最大輸出電壓,可用如下公式求得:

通過設置外接電阻R1 的R2 的阻值大小就可以確定最大輸出電壓,要求輸出電壓應略高于LED 串正常工作電壓。當LED 工作電壓超過設定的Vout (max)時,過壓保護電路就啟動,以便DC2DC 轉換器降低輸出電壓。

　　7 　設置最大LED 電流

　　根據實際應用需要,通過設置Iset 引腳外接電阻R4 的阻值大小(選取阻值范圍為10～100kΩ 可滿足此驅動電路正常工作) ,就可以設定流過LED 串的電流大小,實驗測得流過LED 串電流大小估算公式為:

,其中ILED表示流過LED 串電流大小,本實例中R4 為1417kΩ ,故最大電流為20mA。

　　設定ILED 越大,則LT3598 本身功耗就越高,若ILED = 30mA ,PWM 調光占空比為100 % ,此時LT3598內部功耗至少在144mW以上。

　　8 　熱保護電路的設計

　　對于一個有6 個線性電流源的單一升壓轉換器,對6 串LED 供電,任何LED 串的電壓不匹配都將造成功率的額外耗散,引起驅動電路過度發熱。并且,環境溫度升高,也會導致IC 溫度升高。因此,電路設計需要考慮發熱因素的影響。

　　熱回路的運行過程很簡單,當環境溫度升高時,驅動IC 內部結溫也隨著升高。一旦溫升達到了設定的最大結溫,LT3598 開始線性地降低LED 電流,并根據需要,盡量保持在這個溫度水平。如果環境溫度越過設定的最大結溫后繼續升高,LED 電流將減小到大約全部LED 電流的5 %。因此,電路設計要考慮到具體使用環境,避免環境溫升過高而影響電路正常工作。如圖1 所示,在IC 的Tset 引腳接一個電阻分壓網絡R8 和R5 ,適當選擇R8 和R5 的比值,就可確定需要設定的最大結溫值。在實踐應用中,根據R8 和R5 的比值與實測溫度,得出了幾組常用的數據,如表1 所示。

表1 　Tset 結溫和外接電阻分壓網絡阻值關系表

更為直觀的方法是,通過改變Tset 引腳外接電阻分壓網絡的比值大小,從而設定該引腳電壓值,也就決定了需要設定的最大結溫值。通過實驗得到結溫和Tset 引腳電壓值的關系如圖3 所示,由圖3 可以得出結論,隨著該引腳電壓VTset 的升高, IC 能忍受的正常工作的最大結溫也跟著線性地升高。

圖3 　結溫和Tset 引腳電壓值的關系圖

　　9 　實際應用電路

　　典型的實際應用電路如圖4 所示,總共6 串,每串10 個LED ,設計每串最大正常工作電流為20mA ,電源采用IC 自帶的升壓型DC2DC 轉換電路,升壓電感L1 ,內置功率開關管,肖特基整流二極管D7 ,設計高頻開關頻率為1MHz。設計LED 串最大供電電壓為41V ,在此范圍內的電壓,都可讓電路正常工作,否則,過壓保護電路啟動,以便讓LED 供電電壓恢復正常。用幅值為313V、上升沿和下降沿均為10ns、頻率為1kHz 的PWM調光脈沖,可實現3 000∶1的PWM 真彩調光范圍,并且在調光過程中,LED 串的最大電流一直穩定在20mA ,改變的只是PWM調光脈沖的占空比,亦即意味著改變了LED 串的平均電流,從而達到LED 調光的目的。任何不用的LED 串不能空著,應接入Vout ,內部故障檢測環路忽略該串,也不會影響其他串的開路LED 檢測。

圖4 　實際應用電路圖

　　10 　LED 電流調光控制

　　應用LT3598 可用兩種不同類型的調光模式進行調光,有些場合,首選方案是用可變的直流電壓來調整LED 電流,進而進行亮度控制。LT3598 的CTRL 引腳電壓就可用來調整LED 串電流而實現調光,當該引腳電壓從0V 變化到1V 時,LED 串電流就會從0 上升到設定的最大電流(本實例設定為20mA) ,當CTRL引腳電壓超過1V 時,對LED 串的電流就沒有影響了。我們稱這種調光技術為模擬調光,其最大優勢避免了由于PWM調光脈沖所產生的人耳可聞的噪聲;其缺點有二,一是增大了整個系統能耗,系統效率低下,因為此時LED 驅動電路始終處于工作模式,電能轉換效率隨著輸出電流減小而急劇下降; 二是LED發光質量不高,因為LED 發光顏色隨著正向電流的變化而變化,而它直接改變了白光LED 串的電流。

　　對真彩調光,常用PWM 調光技術,應用占空比不同的數字脈沖,驅動一個PMOS 場效應管(如圖1所示) ,以實現改變輸出電流,從而調節白光LED 的亮度。這種調光技術比模擬調光技術有更高的效率,并能得到更高質量的白光。

　　比較高的開關頻率和比較低些的PWM 頻率,可以得到更寬的PWM 調光范圍。但是當驅動器進行PWM調光的時候,如果PWM 信號的頻率正好落在20Hz～20kHz 之間,白光LED 驅動器周圍的電感、寄生電感和輸出電容就會產生人耳聽得見的噪聲。所以設計時為了避免產生噪聲,PWM 信號頻率不要低于20kHz。

　　對真彩調光應用來說,驅動LED 的電流必須保持恒定,LED 的優點才可充分發揮出來,因為驅動LED 的電流只要有輕微的波動,就會導致LED 的燈光顏色不穩定。只通過改變PWM 引腳上PWM 脈沖占空比,而不直接改變LED 驅動電流,LT3598 可以實現3 000∶1 的PWM 調光范圍, PWM 脈沖占空比從100 %～011 %變化時,LED 都可以保持恒定的顏色。

　　圖5 所示為用1kHz 的PWM調光脈沖進行調光、脈沖周期為1ms (橫坐標表示) 、占空比為90 %時,各點的波形圖。

圖5 　PWM占空比為90 %趨穩后各點波形圖( 1msPDIV)

　　11 　小結

　　可通過通道并聯來為每個LED 串提供更高的電流。例如,若有2 個LED 串,每串需90mA 的電流,則可每3 個通道并聯形成兩路通道,即可分別為2 串LED 各提供最高90mA 的電流。

　　若每串LED 的正向壓降差異很大,則會產生巨大的功耗,降低電源效率。為了得到高效率,在選擇LED 時,首先要求每串LED 數量相同,其次要求通過每串LED 的壓降也盡量一致。

　　LT3598 的輸入電壓范圍從312～30V ,多通道能力使其在筆記本電腦顯示屏、中等尺寸顯示屏和汽車LCD 顯示屏等應用領域,都是比較理想的選擇。