MAX16821

只需增添三个功率MOSFET，单通道降压转换器即可驱动投影仪的RGB LED

摘要：本应用笔记介绍了低功耗投影仪的RGB LED驱动器参考设计。该设计利用单片MAX16821 HB LED驱动器在每一时刻驱动一个RGB LED。这种方法减少了元件数量，获得高效、小巧且经济的设计。文中给出了电路板布局和测试结果。

引言

本应用笔记提供了一个低功耗投影仪RGB LED驱动器的参考设计。基于单芯片MAX16821构建大电流LED驱动器，能够为一组降压驱动的RGB LED 提供高达10A的电流，通/断时间小于1μs。某一时刻只驱动一个彩色LED，RGB按比例共用PWM周期。

LED驱动器技术指标

?输入电源电压：10V至15V

?LED驱动电流：10A

?LED正向偏压：4.5V至6V

?LED电流上升/下降时间：< 1μs

?LED电流纹波：10%峰峰值，最大值

输入

?V IN (J4)：电源输入

?PWMR、PWMB、PWMG (J8的引脚1、3和4)：RGB PWM输入信号，幅值应为3.3V至5V。当输出的上升/下降时间保持在1μs以内时，任何超出2μs的PWM周期均可使用。某一时刻只有上述三个信号之一为高电平。

?PWMN (J8的引脚4)：PWMR、PWMG和PWMB进行逻辑NOR。

只有所有三个PWM信号均为低电平时，PWMN为高电平。

?ON/OFF (J1)：保持开路或驱动至+5V使能驱动器，连接至GND禁用电路板工作。

输出

?LEDR、LEDG、LEDB (J5、J6和J7)：10A RGB LED输出。将LED+连接至引脚3、4和5；将LED-连接至引脚6、7和8。

?OUTV (J2)：提供与LED电流成比例的信号，OUTV上的电压为R12||R16电压的135倍。

?V IN_OUT (J3)：输入电源电压，用于连接至其它电路板。引脚1和2为V IN+；引脚3和4为GND。

图1. LED驱动电路板(顶层)

清晰图片 (PDF, 1.35MB) 图2. LED驱动电路板(底层)

清晰图片 (PDF, 112kB)

图3. 由MAX16821构成的LED驱动器原理图。

电路说明

低功耗投影仪采用单芯片DLP处理RGB颜色。任何给定时间内只点亮一种颜色的DLP。这种方法能够采用一路大电流驱动器，配合几个附加开关实现LED 之间的切换，从而构成紧凑、经济的投影仪设计。

本文提供的LED驱动器参考设计采用单个降压转换器依次为RGB LED提供10A电流驱动。MOSFETS Q8、Q9和Q10选择并切换稳定的电感电流，基于PWM信号为其中一个RGB LED提供驱动。

MAX16821B buck转换器的核心电路工作在平均电流控制模式，将10V至15V输入电源电压降至4.5V至6V LED正向偏压。buck转换器的工作频率

通过外部接地电阻设置。MODE引脚连接至GND，选择IC工作buck驱动器

模式。转换器开关工作频率为300kHz，该设置使得器件优化工作在以较小尺寸电感提供非常高的效率。

设计要求LED电流上升/下降时间小于1μs，为达到这一指标，必须选择非常小的输出滤波电容，从而增大了负载纹波电流。另外，如果选择大于常规值的电感，电感纹波电流将保持在负载纹波电流以内。输出端通过1μF电容(C11)将输出电流摆率限制在10A/μs，防止寄生元件造成任何过冲。

LED驱动器通过电感控制并维持10A电流，按照任意瞬间需要驱动的LED，分别导通Q8、Q9或Q10，将电感电流切换到对应的LED。全部三个LED

关闭时，电感电流通过Q4构成本地回路。

MAX16821器件有两个控制环路：内部环路控制电感电流，外部环路确定驱动LED所需的电感电流。在降压转换器中，电感电流与LED电流相同。因此，控制电路被简化为单个电感电流监测环路。本设计中，为防止电感电流的次级谐波振荡，R5将电流误差放大器增益限制在11.5V/V。电流环路补偿没有零-极点对，从而增大了低频增益，使电感电流准确稳定在电压环路的设置值。电压误差放大器将R11||R17两端的LED检流电压与内部100mV基准进行比较，并提供70dB误差增益。经过放大后的输出驱动内部电流环路。即使内部电流环路增益较低，由于电压误差放大器的高增益也能够使LED电流稳定在10A。

电感电流在RGB LED和Q4形成的本地环路之间切换，电压误差放大器输出需要4级不同电平。因为这4种条件下的输出电压不同，所以需要4个电平。4个不同的补偿电容(C7、C10、C13和C14)用于存储电压误差放大器输出，

分别对应4种不同的负载条件。补偿电容通过模拟开关(Q2、Q5、Q6和Q7)连接到电路，每次接通一路。一旦打开LED，对应的补偿电容即刻将误差放大器输出调节至上次存储电压，从而使LED电流很快上升至10A。

内部电流环路吸收电感形成的极点，由LED动态阻抗和输出电容C11构成的输出极点，所产生的极点频率远远高于开关频率。电压环路只有一个极性，为电压误差放大器的极点。补偿电容(C7、C10、C13和C14)在原点构成一个极点，使电压环路在1/10频程通过0dB。

MAX15025双通道MOSFET驱动器(U2、U3)驱动(Q2、Q5、Q6和Q7)，在LED负载之间快速切换，电流摆率高达10A/1μs。由C9和R10构成的降损电路减缓了LX节点的开关边沿，有助于抑制任何过冲/欠冲振铃。如果输出电压超过6.4V，由R3和R4提供的过压保护反馈将关断U1。一旦输出电压降至5.4V以下，U1恢复开关操作。滤波电容C1防止由于噪声引起的错误触发。RC网络提供从电源导通沿开始的3ms延迟，使U1在输入电源稳定后开始工作。

电路波形

图4. 示波器截图显示了其中一个LED (CH3)的电流；OUTV引脚(CH1)电压代表电感电流的大小；CLP引脚(CH2)上的电压代表PWM占空比。电感电流在整个周期内相同。蓝光、绿光LED的PWM占空比几乎相同，但红光LED 较小。在1μs内LED电流上升并稳定至最终值。

温度测量：

?V IN：12V

?I OUT：10A至RGB LED，每种颜色为20% PWM

?制冷：电路板被强制风冷

?电路板温度：+53°C

?Q1、Q3外壳：+60°C

?Q4、Q8、Q9和Q10外壳：+58°C

?U1顶部：+53°C

?L1线圈温度：+70°C

上电步骤

?将10A RGB LED连接至J5、J6和J7。

?保持PWMR、PWMG、PWMB和PWMN信号为低电平。

?将电源电压逐渐增高至10V，观察电流，电流应小于0.3A。

?施加PWM信号PWMR、PWMG和PWMB，PWM占空比为15%至20% (定位每个PWM脉冲，同时应只有一个PWM信号为高电平)。

PWMN信号应为PWMR、PWMG和PWMB的数字或非。全部三个LED按照设定的占空比由10A电流交替驱动

便携式投影仪6A RGB LED驱动器参考设计

应用笔记

?概述

?详细资料

概述

本参考设计针对便携式投影仪的6A降压型LED驱动器，参考设计基于PWM HB LED驱动器MAX16821，该电路可驱动一个LED；驱动RGB三色LED 时需要使用三片MAX16821。

LED驱动器规格

?输入电压范围(V IN)：10V至15V

?输出电压(V LED)：4.5V至6V

?输出电流(I LED)：1.5A至6A，可模拟控制

?模拟控制电压：1.1V至2.8V，对应1.5A至6A

?最大LED导通占空比：50%

?最大LED电流上升/下降时间：< 1μs

?最大LED电流纹波：6A时，< 15%

输入

?V IN (J1和J2接V IN+，J3和J4接GND)：10V至15V输入电源。

?通/断控制(J8)：浮空或连接到+5V，使能驱动器；J8短路时禁止电路板工作。

?PWM输入(J7)：PWM调光输入，连接一个幅度为3V至5V的PWM 信号。为了保证PWM输入能够驱动Q1和Q7，信号源在驱动300pF 负载时，上升/下降时间应小于500ns。由于输出信号的上升/下降时间控制在1μs以内，任何周期为1μs的3至4倍的PWM信号都可以使用。

?LED电流控制(J6)：LED电流调节输入。加载1.1V至2.8V电压，可以在1.5A至5A范围调整LED电流。

输出

?LED+ (J9、J10)：接LED阳极。

?LED- (J11、J12)：接LED阴极。

?电感电流输出(J5)：提供一个与LED电流成比例的信号。OUTV电压为R9电压的135倍。

详细图片(PDF, 2.23MB)

图1. MAX16821 LED驱动器电路板

详细图片(PDF,

2.63MB)

图2. LED驱动器电路板原理图

电路说明

LED驱动器对10V至15V输入电源电压进行降压转换，恒流驱动一个正向导通电压为4.5V至6V的LED。使用MAX16821 PWM HB LED驱动器实现降压转换。由于平均电感电流等于LED电流，可以通过控制平均电感电流恒流驱动LED，开关频率通过电阻R6 (200kΩ)设置为300kHz。

电路包含两个控制环路：内部电流环路根据外部电压环路的输出控制电感电流；外部电压环路设置内部电流环路，最终控制LED电流。外部电压环路监测OUTV 引脚，U1的输出产生EAOUT信号。EAOUT信号控制内部电流环路，即控制电感电流。

模拟LED电流控制

运算放大器U1接受1.1V至2.8V的模拟输入，驱动MAX16821的SENSE+输入引脚，在1.5A至6A范围内调节LED电流。当LED电流达到6A时，连接到U1的参考电压和电阻分压器在U1输出端产生大约20mV (高于V OL 的最差值)的电压。2.8V的模拟控制输入产生该输出电压。LED电流上升到6A 时，R1和R22构成的电阻分压器将OUTV的电流检测信号分压，产生一个很小的电压叠加在U1输出端；由R1和R22生成的电压等于SENSE+输入端100mV的外环参考电压。注意，OUTV信号是R9、R18电流检测信号放大后的电压，放大倍数为135V/V。随着模拟控制输入电压从2.8V开始下降，U1的输出电压从20mV开始线性增大。U1输出电压的升高，使SENSE+输入在较低的LED电流下达到100mV。当模拟控制输入降至大约1.1V时，U1输出增加到80mV，LED电流降至1.5A。

PWM调光

在PWM处于关闭状态时，LED输出端的MOSFET Q9导通，LED短路。LED 电流降至零，具体取决于Q1的导通时间(本设计中远远小于1μs)。PWM处于关闭期间始终保持电感电流。PWM开始导通时，Q1关闭，电感电流对输出电容充电。输出电压一旦达到LED的起始导通电压，LED电流开始上升。LED 电流从0A上升到满幅值的时间取决于几个因素：电感电流、输出电容以及LED 的正向导通电压的变化。本参考设计仅在LED电流设定为6A时满足< 1μs LED开启时间的要求。如需在降低的电流时得到快速的LED开启时间，可增大电感值并减小输出电容。

反馈补偿

电阻R2和R23限制高频电流环路的增益，补偿次级谐波振荡。在电流环路传

输函数中远远低于单位增益频率的位置设置一个零点，既可以保证在低频区有足

够的增益，又可以保证电感电流的误差非常小。利用C1、C19构建该零点。在PWM关闭、导通时，Q1和Q2交替连接到RC网络，实现补偿。本设计可保持C1、C19的电量，使PWM响应更加迅速。

由于直接测量电感电流，驱动电路的传输函数中没有输出极点。外部电压环路简化成一个单极点系统，而电压误差放大器在设定频率范围内确定这唯一极点。为

了避免两个反馈环路相互干扰，C21和C22将外部环路的单位增益频率降至电流环路单位增益频率的十分之一。Q7和Q10保持补偿电容的电荷，保证在PWM脉冲变化时，电压误差放大器的输出能即刻切换至所要求的数值。电阻R24、R25可避免Q7和Q10状态变化产生的电荷注入而导致的C21、C22充/放电。

LED电流上升/下降时间

本设计要求在PWM工作产生6A LED电流时，LED电流的上升/下降时间保持在1μs以内。这就要求使用较小的输出滤波电容和较大电感，在满足LED电流最大纹波的要求的前提下满足上述条件。PWM处于关闭状态时，Q9导通，建立可编程的电感电流回路。如果LED电流设置为6A，电感电流将由MAX16821调整在6A。输出再次导通时，电感电流对输出电容C8充电。C8的充电速率决定了LED电流的上升时间，基于这一点计算C8的取值。因为Q9的放电速度远快于C8，所以LED电流的下降时间远远小于1μs。

电路波形

图3. 参考设计测试数据：LED电压(CH1)、LED电流(CH2)和OUTV电压(CH3)

图4. 参考设计测试数据：LED电压(CH1)、LED电流(CH2)和CLP电压(CH3)

图5. LED电压(CH1)和LED电流(CH2)上升时间的测试数据

图6. LED电压(CH1)和LED电流(CH2)下降时间的测试数据

测试参数

温度测量

?V IN：10V

?I OUT：6A

?TA：25°C

?电路板温度：+50°C

?Q3、Q4和Q9温度：+52°C

?U1表面温度：+47.5°C

?L1磁芯温度：+75°C (电流为5.8A时，L1温度高出环境温度40°C)上电顺序

?在V IN+和GND之间连接0至20V、5A电源(PS1)。

?在J6 (V_CONTROL)连接0至5V电源(PS2)。

?将额定值大于6A的LED通过尽可能短的连线连接到LED+和LED-，以降低引线电感。如果需要较长连线，请务必使用双绞线连接。

?J5、J8保持开路。

?打开PS2电源，输出1.1V。

?逐渐增大PS1电源输出，达到10V。LED被点亮，工作在1.5A连续电流。

?将一个幅度为3V至5V、30%占空比的信号连接至PWM引脚。LED 电流将由PWM信号控制通、断。

?将PS2输出电压从1.1V调整到2.8V。在PWM处于导通期间，LED 电流从1.5A上升到6A。