中心議題：

• 基于MAX16821的6A降壓型LED驅動(dòng)器參考設計 

解決方案：

• 使用MAX16821 PWM HB LED驅動(dòng)器實(shí)現降壓轉換
• 通過(guò)控制平均電感電流恒流驅動(dòng)LED
• 內部電流環(huán)路根據外部電壓環(huán)路的輸出控制電感電流
• 外部電壓環(huán)路設置內部電流環(huán)路，最終控制LED電流

摘要：本文介紹了一個(gè)基于MAX16821的6A降壓型LED驅動(dòng)器參考設計。該電路可驅動(dòng)一個(gè)LED。參考設計包括電路規格、原理圖、電路說(shuō)明和性能介紹等內容。

概述
本參考設計針對便攜式投影儀的6A降壓型LED驅動(dòng)器，參考設計基于PWM HB LED驅動(dòng)器MAX16821，該電路可驅動(dòng)一個(gè)LED；驅動(dòng)RGB三色LED時(shí)需要使用三片MAX16821。

LED驅動(dòng)器規格

• 輸入電壓范圍(VIN)：10V至15V
• 輸出電壓(VLED)：4.5V至6V
• 輸出電流(ILED)：1.5A至6A，可模擬控制
• 模擬控制電壓：1.1V至2.8V，對應1.5A至6A
• 最大LED導通占空比：50%
• 最大LED電流上升/下降時(shí)間：< 1µs
• 最大LED電流紋波：6A時(shí)，< 15%

輸入

• VIN (J1和J2接VIN+，J3和J4接GND)：10V至15V輸入電源。
• 通/斷控制(J8)：浮空或連接到+5V，使能驅動(dòng)器；J8短路時(shí)禁止電路板工作。
• PWM輸入(J7)：PWM調光輸入，連接一個(gè)幅度為3V至5V的PWM信號。為了保證PWM輸入能夠驅動(dòng)Q1和Q7，信號源在驅動(dòng)300pF負載時(shí)，上升/下降時(shí)間應小于500ns。由于輸出信號的上升/下降時(shí)間控制在1µs以?xún)?，任何周期?µs的3至4倍的PWM信號都可以使用。
• LED電流控制(J6)：LED電流調節輸入。加載1.1V至2.8V電壓，可以在1.5A至5A范圍調整LED電流。

輸出

• LED+ (J9、J10)：接LED陽(yáng)極。
• LED- (J11、J12)：接LED陰極。
• 電感電流輸出(J5)：提供一個(gè)與LED電流成比例的信號。OUTV電壓為R9電壓的135倍。

電路說(shuō)明
LED驅動(dòng)器對10V至15V輸入電源電壓進(jìn)行降壓轉換，恒流驅動(dòng)一個(gè)正向導通電壓為4.5V至6V的LED。使用MAX16821 PWM HB LED驅動(dòng)器實(shí)現降壓轉換。由于平均電感電流等于LED電流，可以通過(guò)控制平均電感電流恒流驅動(dòng)LED，開(kāi)關(guān)頻率通過(guò)電阻R6 (200kΩ)設置為300kHz。

電路包含兩個(gè)控制環(huán)路：內部電流環(huán)路根據外部電壓環(huán)路的輸出控制電感電流；外部電壓環(huán)路設置內部電流環(huán)路，最終控制LED電流。外部電壓環(huán)路監測OUTV引腳，U1的輸出產(chǎn)生EAOUT信號。EAOUT信號控制內部電流環(huán)路，即控制電感電流。

模擬LED電流控制
運算放大器U1接受1.1V至2.8V的模擬輸入，驅動(dòng)MAX16821的SENSE+輸入引腳，在1.5A至6A范圍內調節LED電流。當LED電流達到6A時(shí)，連接到U1的參考電壓和電阻分壓器在U1輸出端產(chǎn)生大約20mV (高于VOL的最差值)的電壓。2.8V的模擬控制輸入產(chǎn)生該輸出電壓。LED電流上升到6A時(shí)，R1和R22構成的電阻分壓器將OUTV的電流檢測信號分壓，產(chǎn)生一個(gè)很小的電壓疊加在U1輸出端；由R1和R22生成的電壓等于SENSE+輸入端100mV的外環(huán)參考電壓。注意，OUTV信號是R9、R18電流檢測信號放大后的電壓，放大倍數為135V/V。隨著(zhù)模擬控制輸入電壓從2.8V開(kāi)始下降，U1的輸出電壓從20mV開(kāi)始線(xiàn)性增大。U1輸出電壓的升高，使SENSE+輸入在較低的LED電流下達到100mV。當模擬控制輸入降至大約1.1V時(shí)，U1輸出增加到80mV，LED電流降至1.5A。

PWM調光
在PWM處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，LED輸出端的MOSFET Q9導通，LED短路。LED電流降至零，具體取決于Q1的導通時(shí)間(本設計中遠遠小于1µs)。PWM處于關(guān)閉期間始終保持電感電流。PWM開(kāi)始導通時(shí)，Q1關(guān)閉，電感電流對輸出電容充電。輸出電壓一旦達到LED的起始導通電壓，LED電流開(kāi)始上升。LED電流從0A上升到滿(mǎn)幅值的時(shí)間取決于幾個(gè)因素：電感電流、輸出電容以及LED的正向導通電壓的變化。本參考設計僅在LED電流設定為6A時(shí)滿(mǎn)足< 1µs LED開(kāi)啟時(shí)間的要求。如需在降低的電流時(shí)得到快速的LED開(kāi)啟時(shí)間，可增大電感值并減小輸出電容。

反饋補償
電阻R2和R23限制高頻電流環(huán)路的增益，補償次級諧波振蕩。在電流環(huán)路傳輸函數中遠遠低于單位增益頻率的位置設置一個(gè)零點(diǎn)，既可以保證在低頻區有足夠的增益，又可以保證電感電流的誤差非常小。利用C1、C19構建該零點(diǎn)。在PWM關(guān)閉、導通時(shí)，Q1和Q2交替連接到RC網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現補償。本設計可保持C1、C19的電量，使PWM響應更加迅速。

由于直接測量電感電流，驅動(dòng)電路的傳輸函數中沒(méi)有輸出極點(diǎn)。外部電壓環(huán)路簡(jiǎn)化成一個(gè)單極點(diǎn)系統，而電壓誤差放大器在設定頻率范圍內確定這唯一極點(diǎn)。為了避免兩個(gè)反饋環(huán)路相互干擾，C21和C22將外部環(huán)路的單位增益頻率降至電流環(huán)路單位增益頻率的十分之一。Q7和Q10保持補償電容的電荷，保證在PWM脈沖變化時(shí)，電壓誤差放大器的輸出能即刻切換至所要求的數值。電阻R24、R25可避免Q7和Q10狀態(tài)變化產(chǎn)生的電荷注入而導致的C21、C22充/放電。

LED電流上升/下降時(shí)間
本設計要求在PWM工作產(chǎn)生6A LED電流時(shí)，LED電流的上升/下降時(shí)間保持在1µs以?xún)?。這就要求使用較小的輸出濾波電容和較大電感，在滿(mǎn)足LED電流最大紋波的要求的前提下滿(mǎn)足上述條件。PWM處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，Q9導通，建立可編程的電感電流回路。如果LED電流設置為6A，電感電流將由MAX16821調整在6A。輸出再次導通時(shí)，電感電流對輸出電容C8充電。C8的充電速率決定了LED電流的上升時(shí)間，基于這一點(diǎn)計算C8的取值。因為Q9的放電速度遠快于C8，所以L(fǎng)ED電流的下降時(shí)間遠遠小于1µs。

電路波形

測試參數
溫度測量

• VIN：10V
• IOUT：6A
• TA：25°C
• 電路板溫度：+50°C
• Q3、Q4和Q9溫度：+52°C
• U1表面溫度：+47.5°C
• L1磁芯溫度：+75°C (電流為5.8A時(shí)，L1溫度高出環(huán)境溫度40°C)

上電順序

• 在VIN+和GND之間連接0至20V、5A電源(PS1)。
• 在J6 (V_CONTROL)連接0至5V電源(PS2)。
• 將額定值大于6A的LED通過(guò)盡可能短的連線(xiàn)連接到LED+和LED-，以降低引線(xiàn)電感。如果需要較長(cháng)連線(xiàn)，請務(wù)必使用雙絞線(xiàn)連接。
• J5、J8保持開(kāi)路。
• 打開(kāi)PS2電源，輸出1.1V。
• 逐漸增大PS1電源輸出，達到10V。LED被點(diǎn)亮，工作在1.5A連續電流。
• 將一個(gè)幅度為3V至5V、30%占空比的信號連接至PWM引腳。LED電流將由PWM信號控制通、斷。
• 將PS2輸出電壓從1.1V調整到2.8V。在PWM處于導通期間，LED電流從1.5A上升到6A。