同步、低 EMI LED 驅(qū)動器具集成式開關(guān)和內(nèi)部 PWM 調(diào)光能力

LED 的應(yīng)用范圍不斷擴大，已經(jīng)涉及從通用照明到汽車、工業(yè)和測試設(shè)備、招牌以及安全設(shè)備的各種領(lǐng)域。因此，對 LED 驅(qū)動器的設(shè)計要求也越來越多了。最新 LED 解決方案要求驅(qū)動器具備緊湊的尺寸、高效率和低噪聲，并提供高的調(diào)光比和先進的故障保護功能。LT3922 非常容易滿足這些要求。

LT3922 具集成式開關(guān)和內(nèi)部 PWM 調(diào)光能力

LT3922 是一款 36V、同步 LED 驅(qū)動器，集成了 2A 開關(guān)，可配置為升壓、降壓或升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器。該器件集成了高效率、同步電源開關(guān)，采用纖巧的 4mm x 5mm QFN 封裝。這款器件采用了凌力爾特最先進的開關(guān)技術(shù)，雖然封裝尺寸很小，卻能夠提供很大的功率，同時還能夠控制邊沿速度，并降低不想要的場致輻射。集成的同步開關(guān)邊沿是受控的，不產(chǎn)生振鈴，從而能夠在高效率和低噪聲之間提供恰當(dāng)?shù)钠胶?，這些開關(guān)還能夠以高達 2.5MHz 的頻率切換，因此可構(gòu)成尺寸緊湊的解決方案。

拓撲選擇：升壓、降壓、升壓-降壓模式

LED 串由受控的電流驅(qū)動，該電流不必直接返回地。LED⁺ 和 LED⁻ 或其中任一端子可以連至非地電位。這就為選擇包括降壓和升壓-降壓型拓撲在內(nèi)的浮置輸出 DC/DC LED 驅(qū)動器拓撲創(chuàng)造了機會。LT3922 的高壓側(cè) PWMTG 驅(qū)動器和同步開關(guān)可以配置為升壓、降壓或升壓-降壓模式 LED 驅(qū)動器，同時保持該 IC 的所有功能都可用，也就是說，內(nèi)部 PWM 調(diào)光、SSFM (擴展頻譜頻率調(diào)制)、低 EMI、ISMON 輸出電流監(jiān)視器、和輸出故障保護功能從標(biāo)準(zhǔn)升壓型拓撲到降壓型和升壓-降壓型拓撲也都提供。

升壓型拓撲

LT3922 作為升壓型轉(zhuǎn)換器運行時，可為高達 34V 的 LED 串供電，在 40V 以下留出一些空間，以防 LED 開路過沖。如圖 1 所示，2MHz、4V 至 28V 升壓型 LED 驅(qū)動器為高達 34V 的 LED 串提供 330mA 電流。該器件可以從外部以 120Hz 頻率和 2000:1 調(diào)光比進行 PWM 調(diào)光，或者可以從內(nèi)部以 128:1 調(diào)光比、用 PWM 引腳上的模擬輸入電壓調(diào)光。

圖 1：2MHz 常規(guī)升壓型拓撲原理圖，120Hz、2000:1 PWM 調(diào)光比

該器件可以承受 LED 開路和 LED⁺ 至地短路而不被損壞，并通過確定 FAULT 引腳，報告這類故障。輸出電流可以通過 ISMON 引腳監(jiān)視，甚至在 PWM 調(diào)光時也可以。在 2MHz 開關(guān)頻率時，其基頻 EMI 諧波駐留在高于 AM 頻段的頻率上，但其 EMI 仍然很低。還可以增加擴展頻譜頻率調(diào)制以擴展 2MHz 至 2.5MHz 的開關(guān)頻率，并降低基頻及很多諧波頻率上的 EMI。由于集成了同步開關(guān)，所以這個 2MHz 升壓型轉(zhuǎn)換器的效率在 12V_IN 時依然保持高達 91%。在較低 V_IN 時，當(dāng)峰值電感器電流達到其限制值時，輸出電流無閃爍地平滑降低，同時 LED 仍然保持接通。

降壓型拓撲

如圖 2 所示，當(dāng) LT3922 用于降壓模式拓撲時，輸入電壓可以高達 36V，并能夠以高達 1.5A 的電流驅(qū)動一個 LED 串。高壓側(cè) ISP 及 ISN 電流檢測輸入和 PWMTG PMOS 驅(qū)動器很容易轉(zhuǎn)移到 LED 的高壓側(cè)，在降壓模式時，LED 的高壓側(cè)連至輸入。LED⁻ 直接連至電感器而不是地。當(dāng)以 6.5V 驅(qū)動兩個 1A LED 時，V_IN 為 12V 時的同步降壓模式效率高達 94%，V_IN 為 36V 時效率仍然保持高達 89%。該降壓模式轉(zhuǎn)換器具很大的帶寬，因此能夠在 100Hz　以　1000:1 PWM 調(diào)光比運行。

圖 2：以 1000:1、100Hz PWM 調(diào)光進行亮度控制的 400kHz 降壓模式 LED 驅(qū)動器

升壓-降壓型拓撲

圖 3 所示 LT3922 升壓-降壓型拓撲支持高于和低于 LED 串電壓的輸入電壓范圍。LED 串電壓之和以及輸入電壓必須保持低于 35V，以保持 ISP 和 ISN 電壓低于 40V 絕對最大值。

圖 3：2MHz 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器的輸入和輸出紋波很低。這個解決方案通過了 CISPR 25 Class 5 測試。

這種已獲專利的低 EMI 拓撲采用升壓型低紋波輸入電感器和降壓型低紋波輸出電感器。采用4V 至 18V 汽車輸入或化學(xué)組成不同的多種電池輸入 (5V、12V 和 19V) 時，升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器可驅(qū)動電壓范圍為 3V 至 16V 的 LED 串。

與其他拓撲一樣，PWMTG 驅(qū)動器簡化了用于 PWM 調(diào)光的 MOSFET 的連接。在浮置 LED 拓撲中，開路和短路保護不受影響。在 LED− 端上的一個可選二極管防止受到 LED− 至 GND 短路的影響。

圖 3 中的 2MHz 轉(zhuǎn)換器在 12V V_IN、15V V_LED、330mA I_LED 時效率為 85% (無 EMI 濾波器時為 87%)，在 120Hz 時提供 2000:1 PWM 調(diào)光比。這個解決方案尺寸小、具通用性和低 EMI，可滿足汽車白天行車燈、信號指示燈或尾燈 LED 驅(qū)動器的要求。

汽車照明

LED 的諸多特點使其非常適合用于汽車照明。LED 尾燈和白天行車燈在視覺上具吸引力。高效率 LED 前燈堅固可靠，與之前相對容易燒壞和基于燈絲的前燈相比，LED 前燈的壽命長出幾個數(shù)量級。LED 驅(qū)動器很小，效率很高，有很寬的輸入和輸出電壓范圍，而且 EMI 也很低。

纖巧的 LT3922 LED 驅(qū)動器之 EMI 很低，具汽車環(huán)境所要求的高效率和故障保護功能。該器件可以在 9V 至 16V 汽車輸入范圍內(nèi)運行，并可在 36V 瞬態(tài)和低至 3V 的冷車發(fā)動情況下保持運作。其低 EMI Silent Switcher^® 架構(gòu)、SSFM 和受控的開關(guān)波形邊沿使該器件非常適合給要求低 EMI 的 LED 供電。該器件的通用性使其能夠用于升壓、降壓和升壓-降壓型應(yīng)用，例如外部白天行車燈、信號指示燈、尾燈和前燈以及內(nèi)部儀表板和具高調(diào)光比的平視顯示器。為防止受到 LED 串短路和開路的影響，需要保護電路，而該器件固有的靈活性和內(nèi)置故障保護功能有助于減少保護電路所需的組件數(shù)。

圖 4 所示的 400kHz 汽車用升壓型 LED 驅(qū)動器通過了 CISPR 25 Class 5 EMI 測試，如圖 5 所示，圖中顯示了 LT3922 的傳導(dǎo)和輻射 EMI 測試結(jié)果以及 Class 5 EMI 限制。這是 LT3922 各項低 EMI 特性相結(jié)合所得到的結(jié)果，包括但不限于受控的開關(guān)波形邊沿和 SSFM。當(dāng)然，恰當(dāng)?shù)牟季趾蜕倭胯F氧體珠濾波 (FB1 和 FB2) 也要使用，以獲得最佳 EMI 結(jié)果。

圖 4：400kHz 汽車用升壓型 LED 驅(qū)動器采用濾波器以實現(xiàn)低 EMI，可選擇內(nèi)部產(chǎn)生的 100%、10% 或 1% PWM 調(diào)光。EMI 測試 (圖 5) 顯示，這個解決方案通過了 CISPR 25 Class 5測試。

圖 5：圖 4 所示400kHz LED 驅(qū)動器的 EMI 曲線，該驅(qū)動器采用了最小型的 EMI 濾波器，通過了 CISPR 25 Class 5測試。如果為了滿足制造商提出的特定 EMI 要求而需要進一步降低 EMI，還可以給輸入端增加一個較大的 LC 濾波器。

固有特性幫助實現(xiàn)低 EMI

LT3922 具備的一些特性使設(shè)計師能夠非常容易地實現(xiàn)低 EMI 解決方案。首先，LT3922 采用凌力爾特已獲專利的 Silent Switcher 架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，內(nèi)部同步開關(guān)最大限度減小了熱切換環(huán)路尺寸，而且受控的開關(guān)波形邊沿不會出現(xiàn)振鈴。

圖 6 顯示，LT3922 的引腳布局允許靠近兩個 V_OUT 引腳放置小型、高頻電容器，以最大限度減小熱環(huán)路尺寸和 EMI。

圖 6：雙環(huán)路布局和高頻 0402 分裂電容器構(gòu)成了小型、方向相反的熱環(huán)路，以幫助降低高頻 EMI

LT3922 控制開關(guān)邊沿速率，從而消除了高頻振鈴，在沒有這種控制功能的開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，高頻振鈴很常見。由于 LT3922 的開關(guān)邊沿是受控的，所以可在不降低效率和供電能力的前提下，降低電源開關(guān)產(chǎn)生的高頻 EMI。

LT3922 的 SSFM 以 1.6kHz 的速率將電阻器設(shè)定的、400kHz 轉(zhuǎn)換器之開關(guān)頻率范圍從 100% 向上和向下擴展為 125%。這降低了轉(zhuǎn)換器在低頻和高頻時的峰值 EMI 和平均 EMI。通過將 SYNC/SPRD 引腳分別連至 INTVcc 或 GND，可以非常容易地接通或關(guān)斷這功能。

內(nèi)部產(chǎn)生的 PWM 調(diào)光

通過 CTRL 引腳上的可調(diào)電壓進行模擬調(diào)光，總是比進行更準(zhǔn)確的 PWM 調(diào)光來的容易。迄今為止，PWM 調(diào)光一直需要一個外部時鐘或微信號，該信號通過 PWM 輸入引腳以其占空比控制亮度。不過，LT3922 具內(nèi)部產(chǎn)生的 PWM 調(diào)光信號，僅需要在 PWM 引腳加上一個外部電壓來設(shè)定占空比，就可實現(xiàn) 128:1 PWM 調(diào)光比。PWM 周期 (例如 122Hz) 是由 RP 引腳上的單個電阻器設(shè)定的。

對于具冗余燈組的車輛而言，很有必要保證 LED 電流的準(zhǔn)確度。很顯然，兩側(cè)燈的亮度必須匹配。以同樣方式制造出來的 LED 在采用同樣的驅(qū)動電流時，產(chǎn)生的亮度可能不同。LT3922 的內(nèi)部調(diào)光功能可用來在接近或幾乎達到 100% 占空比時微調(diào)亮度，然后設(shè)定準(zhǔn)確的 10:1 或 100:1 調(diào)光比。這可以使燈組制造商避免因特別的分級 LED 而增大成本。

當(dāng)需要較高調(diào)光比時，LT3922 可從外部以通常方式調(diào)光。圖 2 中的大帶寬 400kHz 降壓模式 LED 驅(qū)動器在 100Hz 時產(chǎn)生 1000:1 PWM 調(diào)光比。圖 1 中的 2MHz 升壓型 LED 驅(qū)動器在 120Hz 時可實現(xiàn) 2000:1 調(diào)光比，如圖 7a 所示。通過在 RP 引腳放置一個設(shè)定 122Hz 頻率的電阻器，并將 PWM 引腳電壓設(shè)定在 1.0V 至 2.0V 之間，可以將相同的電路設(shè)置為從內(nèi)部產(chǎn)生 PWM 調(diào)光，調(diào)光比為 128:1，如圖 7b 所示。在有些應(yīng)用中，LT3922 可設(shè)置為以 5000:1 的外部 PWM 調(diào)光比運行，PWM 調(diào)光還可以與 LT3922 的模擬調(diào)光相結(jié)合，提供超過 50000:1 的亮度控制。

圖 7：(a) 圖 1 電路從外部產(chǎn)生 2000:1 或 4000:1 PWM 調(diào)光;(b) 圖 1 電路從內(nèi)部產(chǎn)生 128:1 PWM 調(diào)光。

機器視覺

在工業(yè)流水線應(yīng)用中，機器視覺 (圖 8) 運用高速數(shù)字攝影和數(shù)字成像處理，快速提供有關(guān)設(shè)備的視覺反饋信息。這有助于在無需或很少需要人工檢查的情況下，迅速發(fā)現(xiàn)并隔離有缺陷的產(chǎn)品。機器視覺系統(tǒng)的照明必須與流水線的速度同步，同時能夠針對無限期的關(guān)斷時間產(chǎn)生一致的光脈沖。

對常規(guī) LED 驅(qū)動器而言，只要 PWM 輸入信號保持低電平，無論保持時間長短，驅(qū)動器都無法保持輸出電壓。這是因為輸出電容器在逐漸放電，因此通用 LED 驅(qū)動器不適合機器視覺這類應(yīng)用。但 LT3922 在 PWM 信號下降沿時，以數(shù)字方式對轉(zhuǎn)換器的輸出狀態(tài)采樣。然后，通過在 PWM 關(guān)斷且 LED 被高壓側(cè) PMOS 斷開時執(zhí)行“保持切換”，該器件能夠在長時間關(guān)斷時保持其輸出電壓。在以 100Hz 以上的頻率進行標(biāo)準(zhǔn) PWM 調(diào)光時，最長關(guān)斷時間為 10ms 或更短，這時不會從輸出拉走太大的漏電流。機器視覺和頻閃應(yīng)用可能有 100ms 和 5s (或更長) 的關(guān)斷時間，因此泄漏電流會增大數(shù)十至數(shù)百倍。

“保持切換”確保輸出電容器保持在 LT3922 前一個采樣周期中記錄下的電壓。假定該 IC 得到不間斷的功率輸入，那么轉(zhuǎn)換器狀態(tài)的數(shù)字采樣值可以無限期存儲。這就允許 LT3922 在任何給定關(guān)斷時間內(nèi)，提供一致的輸出電流波形，如圖 9 所示。

圖 8：采用機器視覺應(yīng)用的流水線系統(tǒng)概述

圖 9：無論空閑或停機時間多長，攝像機閃光燈的波形都是相同的。圖中波形顯示了 10ms 以后和一個小時以后的脈沖?？臻e一個小時以后和空閑 10ms 以后，閃光燈的波形是相同的。這些波形是從圖 1 所示電路得出的。

結(jié)論

具內(nèi)部同步、2A 開關(guān)的 36V LED 驅(qū)動器 LT3922 是一款緊湊、通用的 LED 驅(qū)動器。該器件非常容易用于升壓、降壓和升壓-降壓型拓撲。無論用于哪種拓撲，所有特色都能發(fā)揮作用，包括高 PWM 調(diào)光比能力和內(nèi)部產(chǎn)生 PWM 調(diào)光。用其 Silent Switcher 布局和 SSFM 可以非常容易地實現(xiàn)低 EMI。其緊湊的同步開關(guān)可保持高效率，甚至在高達 2MHz 頻率時也是如此。憑借堅固可靠的故障保護功能，這款 IC 非常容易滿足汽車以及其他要求非常嚴格的應(yīng)用之需求。

表 1：輸入范圍很寬的 LED 驅(qū)動器