LT3909：高性能2MHz升壓LED驅(qū)動(dòng)器的深度解析

在當(dāng)今的電子設(shè)備領(lǐng)域，LED照明的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從手持設(shè)備到汽車顯示，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的性能要求也日益提高。Linear Technology推出的LT3909正是一款滿足這些需求的高性能2MHz升壓LED驅(qū)動(dòng)器。本文將對(duì)LT3909進(jìn)行全面深入的解析，為電子工程師們?cè)?a href="http://m.brongaenegriffin.com/soft/data/61-62/" target="_blank">設(shè)計(jì)相關(guān)電路時(shí)提供參考。

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一、產(chǎn)品概述

LT3909是一款具有固定2MHz升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的2串×60mA LED驅(qū)動(dòng)器，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)36V的LED。它的每串LED都包含一個(gè)精確的高端電流源，電流匹配精度達(dá)到±2%（典型值±0.3%），可實(shí)現(xiàn)出色的LED亮度一致性。

主要特性

• 寬輸入范圍：2.9V至40V的輸入電壓范圍，適用于各種不同的電源環(huán)境。
• 高PWM調(diào)光比：高達(dá)40,000:1的PWM調(diào)光（250ns LED開(kāi)啟時(shí)間），且調(diào)光不受輸出端泄漏的影響。
• 精確的電流匹配：±2%的LED電流匹配精度，確保每串LED的亮度均勻。
• 集成肖特基二極管：節(jié)省了電路板空間，提高了電路的集成度。
• 內(nèi)部開(kāi)關(guān)：內(nèi)置400mΩ、40V、1A的開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
• 單電阻設(shè)置LED電流：通過(guò)單個(gè)電阻即可設(shè)置每串LED的電流（10mA至60mA）。
• 輸出自適應(yīng)：輸出電壓能夠自適應(yīng)LED的正向電壓（VF），實(shí)現(xiàn)最佳效率。
• 故障保護(hù)：具備開(kāi)路LED和LED短路到地的故障標(biāo)志和保護(hù)功能，且在出現(xiàn)故障時(shí)其他串仍能正常工作。
• 可編程最大輸出電壓：可對(duì)最大輸出電壓進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的有效保護(hù)。
• 內(nèi)部補(bǔ)償和軟啟動(dòng)：內(nèi)置補(bǔ)償、軟啟動(dòng)和熱調(diào)節(jié)功能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

典型應(yīng)用場(chǎng)景

LT3909適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如PDAs、手持計(jì)算機(jī)、GPS接收器、汽車顯示屏和高對(duì)比度儀表盤等，為這些設(shè)備的LED照明提供了高性能的驅(qū)動(dòng)解決方案。

二、電氣特性

輸入、偏置和參考

• 輸入電壓范圍：2.9V至40V，能夠適應(yīng)不同的電源電壓變化。
• 輸入靜態(tài)電流：在輸出 - LEDx電壓為2V、控制引腳電壓為2.0V、PWM為1.5V且不進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)，典型值為600μA。
• 輸入關(guān)斷電流：當(dāng)使能/欠壓鎖定引腳電壓為0.4V時(shí)，輸入電壓為12V時(shí)典型值為0.3μA，輸入電壓為40V時(shí)典型值為1.5μA。

使能/鎖定閾值

• 使能/欠壓鎖定關(guān)斷閾值：典型值為0.6V，當(dāng)引腳電壓低于此值時(shí)，芯片進(jìn)入關(guān)斷模式，幾乎不消耗電流。
• 使能/欠壓鎖定使能閾值：下降沿的典型值為1.215V，結(jié)合引腳電流滯回功能，可通過(guò)外部電阻分壓器對(duì)輸入欠壓鎖定閾值進(jìn)行編程。

線性穩(wěn)壓器（INTVCC）

• INTVCC調(diào)節(jié)電壓：在負(fù)載電流為0A至100μA時(shí)，調(diào)節(jié)電壓的典型值為3.0V，為內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器和控制電路提供穩(wěn)定的電源。

振蕩器

• 開(kāi)關(guān)頻率：固定為2MHz，頻率穩(wěn)定性高，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的變化范圍為1.88MHz至2.12MHz。
• 頻率線調(diào)節(jié)：在輸入電壓為2.9V至40V的范圍內(nèi)，頻率線調(diào)節(jié)率不超過(guò)0.1%/V。
• 最大占空比：典型值為91%，確保了芯片在不同負(fù)載條件下的高效工作。

LED電流/控制

• LEDx電流：在不同的設(shè)置電阻和工作條件下，能夠精確控制LED電流，如在設(shè)置電阻為49.9kΩ、輸出 - LEDx電壓為1.1V、控制引腳電壓為1.2V時(shí)，LEDx電流為20mA，精度控制在±3%以內(nèi)。
• 電流匹配：在不同的LED電流下，電流匹配精度均能達(dá)到較高水平，如在20mA和50mA時(shí)，典型值均為±0.3%。

調(diào)光功能

• 模擬調(diào)光：通過(guò)控制引腳電壓低于1V來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光，調(diào)光比可達(dá)10:1。
• PWM調(diào)光：通過(guò)控制PWM引腳的占空比實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光，在100Hz時(shí)調(diào)光比可達(dá)40,000:1，在25kHz時(shí)調(diào)光比可達(dá)160:1。

故障診斷

• 故障輸出低電平：當(dāng)故障輸出引腳有100μA電流時(shí)，輸出低電平的典型值為0.1V。
• 故障泄漏電流：故障輸出引腳電壓為5V時(shí)，泄漏電流的典型值為0.1μA。

三、引腳功能

INTVCC（引腳1）

內(nèi)部3.0V穩(wěn)壓器旁路引腳，為內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器和控制電路供電。使用時(shí)需連接至少1μF的低ESR陶瓷電容到電源地，并將總電流消耗保持在小于100μA。該引腳主要用于PWM引腳連接、設(shè)置控制引腳電壓的電阻分壓器以及故障引腳的上拉電阻連接。

VIN（引腳2）

輸入電源引腳，需要通過(guò)電容進(jìn)行本地旁路到地，以提供穩(wěn)定的輸入電源，減少電源噪聲對(duì)芯片的影響。

EN/UVLO（引腳3）

使能和欠壓鎖定引腳。將該引腳拉至0.4V以下可使芯片進(jìn)入關(guān)斷模式，以降低輸入電流。該引腳具有精確的1.215V（典型值）下降閾值，并可通過(guò)外部電阻分壓器對(duì)輸入欠壓鎖定閾值進(jìn)行編程。同時(shí)，2.0μA的引腳電流滯回可用于設(shè)置欠壓鎖定的滯回電壓。如果不需要這些功能，可將該引腳直接連接到輸入電源引腳。

ISET（引腳4）

LED電流設(shè)置引腳。通過(guò)連接一個(gè)電阻到地，可對(duì)每串LED的電流進(jìn)行編程，范圍為10mA至60mA。具體的電流設(shè)置可根據(jù)公式 (LEDx =frac{1000}{R_{ISET }}(A),(CTRL>1.1 V)) 進(jìn)行計(jì)算。

CTRL（引腳5）

LED電流控制引腳。當(dāng)控制引腳電壓低于1V時(shí)，可控制最大LED電流。當(dāng)控制引腳電壓低于80mV（典型值）時(shí)，LED電流將被關(guān)閉。控制引腳電壓可通過(guò)外部電壓源、輸入電源或INTVCC引腳的電阻分壓器進(jìn)行設(shè)置。如果不需要該功能，可將控制引腳直接連接到INTVCC引腳。

FB（引腳6）

電壓調(diào)節(jié)環(huán)路反饋引腳。通過(guò)連接一個(gè)從輸出電壓到地的電阻分壓器到該引腳，可在LED串出現(xiàn)開(kāi)路或短路故障時(shí)，或控制引腳電壓低于鎖定閾值（80mV）時(shí)，對(duì)最大允許的輸出電壓進(jìn)行編程。此外，芯片在PWM引腳高電平時(shí)通過(guò)電阻分壓器對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并在PWM引腳低電平時(shí)將輸出電壓調(diào)節(jié)到最佳水平，從而避免了因肖特基二極管或其他漏源導(dǎo)致的輸出電壓下降，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)40,000:1的PWM調(diào)光。

PWM（引腳7）

PWM調(diào)光控制引腳。低電平信號(hào)可關(guān)閉每串LED的高端電流源。如果不需要該功能，可將該引腳連接到INTVCC引腳。

FAULT（引腳8）

LED故障標(biāo)志引腳。通過(guò)連接一個(gè)上拉電阻到輸入電源、INTVCC、輸出電壓或外部電壓源，并將流入該引腳的電流限制在不超過(guò)100μA。當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)LED串出現(xiàn)開(kāi)路或短路故障時(shí)，該引腳為低電平有效。當(dāng)故障消除后，故障標(biāo)志將恢復(fù)為高電平。故障狀態(tài)僅在PWM和控制引腳高電平時(shí)更新，并在PWM或控制引腳低電平時(shí)鎖定。

LED1 - 2（引腳9、10）

LED驅(qū)動(dòng)器輸出引腳。每個(gè)輸出包含一個(gè)開(kāi)漏恒流源，LED電流可通過(guò)ISET引腳的單個(gè)電阻在10mA至60mA之間進(jìn)行編程。將每個(gè)LED串的陽(yáng)極連接到LED引腳，陰極連接到任何可用的地。為了獲得更高的LED電流，LED引腳可以并聯(lián)使用。

VOUT（引腳11）

輸出引腳，需要連接一個(gè)電容到地，以平滑輸出電壓，減少輸出電壓的紋波。

SW（引腳12）

開(kāi)關(guān)引腳，是內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)的漏極和內(nèi)部肖特基二極管的陽(yáng)極。將電感連接到該引腳，并盡量減小該引腳的PCB走線面積，以減少電磁干擾（EMI）。

暴露焊盤（引腳13）

接地引腳，DFN和MSOP封裝的芯片下方都有一個(gè)暴露焊盤（引腳13），用于增強(qiáng)散熱。應(yīng)將引腳13焊接到器件下方的連續(xù)銅接地平面上，以降低芯片的結(jié)溫，提高芯片的熱性能。

四、工作原理

啟動(dòng)過(guò)程

當(dāng)EN/UVLO引腳電壓低于0.6V（典型值）時(shí)，LT3909進(jìn)入關(guān)斷模式，幾乎不消耗電流。當(dāng)EN/UVLO引腳電壓高于0.6V時(shí)，芯片開(kāi)始喚醒內(nèi)部偏置電流，生成各種參考電壓，并將INTVCC引腳充電至3.0V的調(diào)節(jié)電壓。為了使芯片退出欠壓鎖定（UVLO）模式，EN/UVLO引腳電壓需要高于1.245V，且INTVCC引腳電壓需要高于2.75V。EN/UVLO引腳的1.215V下降閾值結(jié)合引腳電流滯回功能，可通過(guò)外部電阻分壓器對(duì)輸入欠壓鎖定閾值進(jìn)行編程。當(dāng)EN/UVLO引腳電壓超過(guò)1.245V時(shí)，引腳電流從2.0μA切換到0μA。退出UVLO后，如果PWM引腳電壓為高電平，升壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)始啟動(dòng)開(kāi)關(guān)操作，內(nèi)部軟啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始充電，使電感電流平穩(wěn)上升。在軟啟動(dòng)期間，開(kāi)關(guān)頻率也從約15%的滿量程逐漸上升，軟啟動(dòng)結(jié)束后立即升至100%的滿量程。

恒流源

每串LED都有一個(gè)本地電流源來(lái)調(diào)節(jié)其自身的LED電流。這些高端電流源連接在輸出電壓引腳和每個(gè)LED引腳之間，通過(guò)將每串LED的頂部LED（陽(yáng)極）連接到LED引腳，底部LED（陰極）連接到任何可用的地，這種高端電流源結(jié)構(gòu)允許每串LED使用簡(jiǎn)單的單線連接。

LED電流調(diào)制和調(diào)節(jié)

通過(guò)ISET、CTRL和PWM引腳可實(shí)現(xiàn)LED電流的編程和調(diào)光。ISET引腳的單個(gè)電阻可將LED電流設(shè)置在10mA至60mA之間。通過(guò)CTRL引腳電壓低于1V可實(shí)現(xiàn)LED亮度的模擬調(diào)光。通過(guò)控制PWM引腳的占空比可實(shí)現(xiàn)LED亮度的PWM調(diào)光。為了獲得更高的LED電流，LED引腳可以并聯(lián)使用。對(duì)于只需要一串LED的應(yīng)用，可將兩個(gè)LED引腳并聯(lián)，并將電流設(shè)置為滿量程的一半。

故障檢測(cè)和保護(hù)

LT3909會(huì)監(jiān)測(cè)每個(gè)高端電流源兩端的電壓降以及每個(gè)LED引腳的電壓。如果LED串出現(xiàn)開(kāi)路故障（ ((V{OUT }-V{LEDX })<0.3 ~V) ）或短路到地故障（ (V{LEDx }<0.25 cdot V{OUT }) ），故障標(biāo)志引腳將被拉低，而其余的LED串不受影響。為了保護(hù)LED，CTRL引腳允許根據(jù)LED的環(huán)境溫度對(duì)LED電流進(jìn)行降額曲線編程。通過(guò)在LED附近放置一個(gè)NTC電阻，當(dāng)LED環(huán)境溫度升高時(shí)，NTC電阻會(huì)減小CTRL引腳電壓，從而降低LED電流。此外，LT3909還具有內(nèi)部熱調(diào)節(jié)環(huán)路，通過(guò)降額LED電流來(lái)調(diào)節(jié)自身的最大結(jié)溫。

升壓轉(zhuǎn)換器操作

LT3909內(nèi)部有一個(gè)N溝道DMOS功率開(kāi)關(guān)和一個(gè)內(nèi)部肖特基二極管，通過(guò)單個(gè)電感和一個(gè)輸出電容來(lái)產(chǎn)生升壓輸出電壓 (Vout) 。為了實(shí)現(xiàn)最佳效率，輸出電壓 (V{OUT}) 被調(diào)節(jié)到維持每串LED中調(diào)節(jié)電流所需的最低可能電壓。這通過(guò)GM1環(huán)路實(shí)現(xiàn)，該環(huán)路監(jiān)測(cè)并將兩個(gè)高端電流源兩端的較低電壓降（在 (V{OUT }) 和每個(gè)LED引腳之間）調(diào)節(jié)到1.3V。如果其中一個(gè)LED串出現(xiàn)開(kāi)路或短路到地故障，調(diào)節(jié)環(huán)路將忽略有故障的LED引腳。當(dāng)兩個(gè)LED串都出現(xiàn)開(kāi)路或短路到地故障時(shí)，輸出電壓 (V{OUT }) 會(huì)充電至用戶可編程的過(guò)壓保護(hù)（OVP）水平。該可編程OVP水平可保護(hù)LED免受損壞，當(dāng)LED串開(kāi)路后再重新連接時(shí)尤為重要。OVP調(diào)節(jié)由GM2環(huán)路實(shí)現(xiàn)，該環(huán)路將FB引腳電壓調(diào)節(jié)到1.215V。在PWM調(diào)光期間，GM2環(huán)路在PWM低電平時(shí)也會(huì)被激活。在PWM高電平時(shí)，輸出電壓 (V{OUT }) 被調(diào)節(jié)到LED驅(qū)動(dòng)器的最佳水平。在PWM低電平邊緣，F(xiàn)B引腳電壓被采樣以存儲(chǔ)該最佳輸出電壓水平。在PWM關(guān)斷期間，輸出電壓 (V{OUT }) 被調(diào)節(jié)以維持最佳輸出電壓水平，從而防止因泄漏導(dǎo)致的輸出電壓下降，實(shí)現(xiàn)快速的LED電流恢復(fù)。由于LT3909升壓轉(zhuǎn)換器采用峰值電流模式拓?fù)洌?(V{C}) 節(jié)點(diǎn)電壓決定了電感中的峰值電流，從而決定了SW引腳開(kāi)關(guān)波形的占空比?；经h(huán)路使用內(nèi)部振蕩器的脈沖來(lái)設(shè)置RS觸發(fā)器，以開(kāi)啟內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)和電感中的電流增加，直到超過(guò) (V_{C}) 命令的峰值開(kāi)關(guān)電流，此時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)閉。與所有峰值電流模式轉(zhuǎn)換器一樣，在控制路徑中添加了斜率補(bǔ)償，以確保占空比超過(guò)50%時(shí)的穩(wěn)定性。LT3909具有精確的1.1A逐周期電流限制，用于保護(hù)內(nèi)部開(kāi)關(guān)、內(nèi)部肖特基二極管和電感。如果超過(guò)該電流限制，無(wú)論A1的狀態(tài)如何，SR觸發(fā)器都會(huì)被復(fù)位。

五、應(yīng)用信息

電感選擇

對(duì)于大多數(shù)LT3909應(yīng)用，電感值在3.3μH至10μH之間即可滿足需求。選擇電感時(shí)，需要確保其能夠承受必要的峰值電流而不會(huì)飽和，并且在2MHz時(shí)具有低鐵芯損耗和低直流電阻（DCR），以獲得最佳效率。文檔中列出了幾種適用于LT3909的電感，如Würth Elektronik、Coilcraft和TDK等品牌的不同型號(hào)電感，但市場(chǎng)上還有許多其他制造商的電感可供選擇，具體選擇可咨詢各制造商以獲取更詳細(xì)的信息和完整的產(chǎn)品系列。

輸入和輸出電容選擇

LT3909升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電容用于提供功率電感的瞬態(tài)輸入電流。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，一個(gè)50V、1.0μF的輸入電容就足夠了。建議使用X5R或X7R陶瓷電容，以最小化電壓和溫度變化時(shí)的電容值變化。如果芯片需要在接近最小工作輸入電壓的條件下工作，可能需要更大的電容值，以防止輸入電壓紋波過(guò)大導(dǎo)致電壓下降到最小工作輸入電壓以下。輸出電容應(yīng)選擇低ESR陶瓷電容，以最小化輸出紋波電壓。同樣建議使用X5R或X7R陶瓷電容，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟鼘挼碾妷汉蜏囟确秶鷥?nèi)能保持較好的電容特性。對(duì)于 (V{OUT }<20 ~V) 的應(yīng)用，推薦使用50V、1μF的輸出電容；對(duì)于 (V{OUT }>20 ~V) 的應(yīng)用，推薦使用50V、2.2μF的輸出電容。文檔中還列出了幾種推薦的50V電容，如TDK和Murata等品牌的產(chǎn)品，具體選擇可咨詢制造商以獲取更詳細(xì)的信息和完整的產(chǎn)品系列。

肖特基二極管

LT3909內(nèi)置了一個(gè)肖特基二極管，在空間受限的應(yīng)用中可節(jié)省PCB面積。為了提高效率，可以在SW節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)之間連接一個(gè)外部肖特基二極管。選擇外部肖特基二極管時(shí)，需要確保其能夠承受LT3909的峰值開(kāi)關(guān)電流，并且具有至少40V的擊穿電壓和較低的正向電壓，以實(shí)現(xiàn)更高的效率。推薦的外部肖特基二極管之一是Diodes Inc.的SBR1A40S3。

關(guān)斷和編程欠壓鎖定

LT3909在EN/UVLO引腳具有精確的1.215V關(guān)斷閾值。該閾值可與系統(tǒng)輸入電源的電阻分壓器結(jié)合使用，為系統(tǒng)定義精確的欠壓鎖定（UVLO）閾值。EN/UVLO引腳的內(nèi)部滯回電壓（30mV）和電流（2.0μA）可用于設(shè)置該UVLO閾值的滯回電壓。通過(guò)以下公式可計(jì)算使用LT3909 EN/UVLO引腳的系統(tǒng)輸入電源的開(kāi)啟/關(guān)閉閾值： [V{SUPPLY (OFF)}=1.215 V cdotleft(1+frac{R 1}{R 2}right)] [V{SUPPLY (ON)}=1.245 V cdotleft(1+frac{R 1}{R 2}right)+(2.0 mu A cdot R 1)] 此外，可在EN/UVLO引腳的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)中添加一個(gè)開(kāi)漏晶體管，以獨(dú)立控制LT3909的關(guān)斷。

INTVCC穩(wěn)壓器旁路和操作

INTVCC引腳是由輸入電源驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部線性穩(wěn)壓器的輸出，為內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器和控制電路供電。