綜述

該參考設計采用MAX16823 3通道線性LED驅動器和外部BJT，實現3S3P RCL驅動電路。圖1和圖2給出了PCB和安裝了散熱器的圖片；圖3為參考設計的電路板布局；圖4為參考設計的原理圖。

以下詳細討論了該參考設計，給出了主要功能電路的分析、設計規格以及測試數據。


圖1. PCB和安裝的散熱器


圖2. 安裝了散熱器的側視圖

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圖3. LED驅動器布線



圖4. LED驅動器原理圖

設計分析

參考設計由四部分電路組成：輸入保護電路與輸入選擇器、10%占空比發生器、拋負載和雙電池檢測、LED驅動電路。

 

輸入保護

輸入保護主要由金屬氧化物變阻器MOV1和MOV2提供。設計中，我們采用了Littelfuse的V18MLA1210H (EPCOS也提供高質量的MOV器件)。根據具體應用環境選取不同額定焦耳的MOV。

 

輸入選擇器

輸入電壓建立后，除非剎車燈/轉向燈輸入端作用有效電源，否則，輸入選擇器將電源切換到尾燈節點。一旦電源為剎車燈/轉向燈輸入供電，輸入選擇器將自動屏蔽尾燈輸入電流。這種架構將為剎車燈/轉向燈輸入提供600mA電流，指示RCL功能。當LED驅動器發生故障或者LED本身發生故障時，MAX16823將徹底關斷所有LED，此時只有不足5mA的電流流出剎車燈/轉向燈。燈的輸出級電路能夠成功檢測到這一低電流，根據設計要求發出報警信號。

D5、R16組成檢測電路。當尾燈輸入節點電壓為9V或更高電壓，并且剎車燈/轉向燈輸入節點接地或為高阻時，該檢測電路打開Q4。輸入電壓通過二極管D3加載到V_IN，提供LED驅動器的主電源。當剎車燈/轉向燈輸入電壓達到尾燈電壓的2V以內時，Q4斷開，V_IN通過二極管D4供電。R17提供2.1kΩ對地電阻，確保此節點的最大阻抗。R17在雙電池條件下(24V)功率達到270mW，所以必須選取0.5W功率的電阻。這個電路的主要限制是：當剎車燈/轉向燈和尾燈同時工作時，假設剎車燈/轉向燈輸入電壓與尾燈輸入電壓的差值在2V以內。

 

10%占空比發生器

10%占空比發生器產生占空比為10%的方波信號，該信號送入MAX16823 LED驅動器，用于調節LED亮度。只要尾燈輸入端提供有效電壓，調光電路將有效工作。R10和D2提供5.1V穩壓源，用于U3 (ICM7555ISA)供電。雙電池條件下，由于功耗可能達到44mW，所以R10必須選取0.25W功率的電阻。定時器U3配置為非穩態振蕩器，導通時間由通過D1和R11對C6充電的時間決定(t_ON = 0.693 × R11 × C6 = 0.418ms [典型值])；關斷時間由通過R12對C6放電的時間決定(t_OFF = 0.693 × R12 × C6 = 3.8ms [典型值])。導通時間和關斷時間之和構成周期大約為237Hz的方波信號，占空比為9.9%，圖5為占空比周期。

電阻R13提供限流保護，降低該開關節點可能產生的EMI輻射。R13的物理位置應盡量靠近U3，以降低EMI。占空比為10%的方波信號通過D7和R14耦合至U1。只要剎車燈/轉向燈沒有有效電源，D7提供的邏輯“或”電路將允許10%占空比脈沖通過。這種配置在尾燈輸入作用有電源電壓時，提供較低的LED亮度。而當剎車燈/轉向燈輸入作用有效電壓時，D7將電壓提供至DIM1、DIM2和DIM3輸入，使LED亮度達到100% (高LED亮度)。因為LEDGOOD信號不能超出6V，電阻R14將電流限制在2mA以內，D9和D2提供電壓箝位，避免過高的節點電壓。當D7陽極沒有作用電壓時，電阻R15為下拉電阻。使用400kΩ電阻時，R15將保持DIM節點電壓低于0.6V，此時的吸電流為1.5µA—遠低于DIM輸入的0.1µA源出電流。


圖5. 振蕩器輸出

 

拋負載和雙電池檢測

拋負載和雙電池檢測電路決定“或”邏輯輸入電壓是否超過21V。輸入電壓超過21V意味著發生拋負載(400ms)或雙電池條件(無時間限制)，這將在三個LED驅動晶體管上產生過大的功耗。因此，檢測電路將DIMx輸入拉低，關閉輸出驅動器。另外，檢測電路還將LGC電容(C2)拉低，以避免可能發生的錯誤檢測。由于DIMx和LGC引腳電壓被控制在10V以內，Q5和D6的額定電壓并不嚴格。檢測電壓是D8擊穿電壓與R18對地電壓的總和，大約為22V。當電阻為20kΩ時，R9將在Q5導通之前產生20µA的旁路漏電流。

 

用于3S3P RCL的LED驅動器

參考設計的核心IC是MAX16823ATE LED驅動器，IN引腳輸入電壓最高為45V。IC從OUTx引腳提供電流驅動LED。使用檢流電阻對電流進行檢測，MAX16823調節OUTx引腳的輸出電流，根據需要將CS引腳的電壓保持在203mV。因為IC本身的每個輸出通道只能提供70mA輸出，我們在每串LED增加了外部驅動，為每串LED提供200mA的驅動電流，并有助于解決散熱問題。晶體管Q1、Q2和Q3 (ZXT690BKTC)提供所需的電流增益。這些晶體管提供TO-262封裝，為管芯提供良好的散熱。

Q1、Q2和Q3為45V、2A晶體管，當I_C/I_B增益為200倍時具有低于200mV的飽和壓降V_CE(Sat)。因為最小輸入電壓(9V)和LED串最大導通電壓(3 × 2.65V = 7.95V)之間的壓差只有1.05V，所以V_CE(Sat)的額定值非常重要，必須留有足夠的設計裕量，以滿足Q4和D3的壓降，以及Q1、Q2和Q3的V_CE(Sat)要求，詳細信息請參考數據表。

電阻分壓網絡R1/R2、R3/R4和R5/R6保證每個OUTx的輸出電流不小于5mA，從而確保IC穩定工作。設計步驟中，分析晶體管基極電流的最小值和最大值。這些電流流經電阻R1、R3和R5。電阻壓降、晶體管的V_BE以及檢流電阻壓降之和為R2、R4和R6兩端的電壓。合理選擇這些電阻，以保證流過電阻的電流與晶體管基極電流之和不小于5mA。另一方面，OUTx的輸出電流必須小于70mA (額定電流)，詳細信息請參考數據表。

 

散熱考慮

本設計中調整管需要耗散的功率達到6W，為了降低晶體管的溫升，將晶體管焊盤通過多個過孔連接到PCB的底層，并通過電絕緣(但導熱)的粘膠墊將熱量傳遞到鋁散熱器上。散熱器耗散6W功率時自身溫度上升31°C。雖然Zetex的晶體管沒有給出結到管殼的熱阻，但可以參考其他晶體管供應商提供的TO-262封裝的熱阻，約為3.4°C/W。該熱阻表示每個晶體管內部的溫度會比管殼高出5.4°C?？傊?，在最差工作條件下，結溫比環境溫度高出35°C至40°C。本參考設計實際測量的溫度大約高出30°C。

 

瞬態響應

圖6和圖7給出了尾燈供電時晶體管的瞬態響應。測試時，振蕩器輸出10%占空比的脈沖信號對MAX16823進行脈寬調制，驅動外部晶體管導通/關斷；圖6中下沖持續3µs，圖7中過沖持續100µs，均不會引起任何問題。


圖6. 晶體管導通時，Q1的集電極波形(V_IN = 12.5V)


圖7. 晶體管斷開時，Q1集電極的波形(V_IN = 12.5V)