MAX16818：高效大功率LED驅動解決方案

在LED照明領域，對于高功率、高亮度LED（HB LED）的驅動需求日益增長。MAX16818作為一款高性能的平均電流模式PWM控制器，為這類應用提供了出色的解決方案。雖然該產(chǎn)品不再推薦用于新設計，新設計可參考MAX20078，但它的技術特點和設計思路仍值得我們深入探討。

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產(chǎn)品概述

MAX16818脈沖寬度調制（PWM）LED驅動控制器以緊湊的封裝和最少的外部組件實現(xiàn)了高輸出電流能力。它適用于同步和非同步降壓（buck）拓撲，以及升壓、降壓 - 升壓、SEPIC和Cuk LED驅動器。其獨特之處在于能夠實現(xiàn)高達20A/μs的快速LED電流瞬變和30kHz的調光頻率。

關鍵特性

靈活架構與寬范圍支持

• 高輸出電流：能夠提供高達30A的輸出電流，滿足高功率LED的驅動需求。
• 寬輸入電壓范圍：支持4.75V至5.5V或7V至28V的輸入電壓范圍，適應不同的電源環(huán)境。
• 平均電流模式控制：這是驅動HB LED的理想方法，能實現(xiàn)穩(wěn)定運行，精確控制電感電流，減少組件降額和尺寸。
• 真差分遠程感應輸入：可準確控制LED電流。

頻率管理與低干擾

• 可編程開關頻率：開關頻率范圍從125kHz到1.5MHz，可通過外部同步或內部調節(jié)，降低電磁干擾（EMI）和對其他系統(tǒng)時鐘的干擾。
• 180°異相時鐘輸出：用于控制第二個異相LED驅動器，減少輸入和輸出濾波電容的尺寸，降低紋波電流。

集成保護與熱增強

• 多重保護功能：具備輸出過壓、打嗝模式過流保護和熱關斷功能，提高系統(tǒng)可靠性。
• 熱增強封裝：采用28引腳TQFN封裝，帶有外露焊盤，散熱性能良好。

電氣特性詳解

系統(tǒng)規(guī)格

• 輸入電壓范圍：可通過短接IN和VCC實現(xiàn)5V輸入操作，正常輸入范圍為4.75V至5.5V或7V至28V。
• 靜態(tài)電源電流：在不切換狀態(tài)下，典型值為3.5mA。

LED電流調節(jié)器

• 感測精度：SENSE + 到SENSE - 的精度高，確保LED電流的精確控制。
• 軟啟動時間：通過內部數(shù)字軟啟動實現(xiàn)無毛刺的輸出電流上升。

振蕩器與開關頻率

• 頻率范圍：開關頻率范圍為125kHz至1500kHz，可通過RT電阻進行編程。
• 頻率精度：在40kΩ ≤ RT ≤ 120kΩ和120kΩ ≤ RT ≤ 500kΩ范圍內，頻率精度分別為±5%和±8%。

典型應用電路分析

高頻LED電流脈沖發(fā)生器

采用降壓拓撲，通過過大型電感和小輸出電容（0.01μF）設計，實現(xiàn)高頻、高電流脈沖輸出。Q3 MOSFET可快速轉移LED電流，效率高。

升壓LED驅動器

外部組件將MAX16818配置為升壓轉換器，輸出電壓始終高于輸入電壓。電流感測電阻接地，可實現(xiàn)任意輸出電壓（高于輸入）。

輸入?yún)⒖糒ED驅動器

類似于升壓轉換器，但LED跨接在輸出和輸入之間，允許LED兩端電壓大于或小于輸入電壓。采用高端電流感測放大器測量電流。

SEPIC LED驅動器

SEPIC拓撲允許輸出電壓大于、等于或小于輸入電壓。L1和L2可采用耦合電感，效率相對較低。

接地參考降壓/升壓LED驅動器

結合了降壓和升壓拓撲的特點，輸出電壓可任意調節(jié)。與SEPIC拓撲相比，不需要兩個電感或串聯(lián)電容，但需要兩個額外的MOSFET。

同步整流降壓驅動器

輸入電壓范圍為7V至28V，輸出電壓可高達輸入電壓。同步MOSFET可降低功耗，尤其是在輸入電壓較大時。

設計要點與注意事項

電感選擇

電感的選擇取決于開關頻率、峰值電感電流和輸出允許的紋波。對于降壓和連續(xù)升壓模式拓撲，可使用以下公式計算最小電感值：

• 降壓調節(jié)器：[L{MIN }=frac{left(V{INMAX }-V{LED }right) × V{LED }}{V{INMAX } × f{SW } × Delta I_{L}}]
• 升壓調節(jié)器：[L{MIN }=frac{left(V{LED }-V{INMAX }right) × V{INMAX }}{V{LED } × f{SW } × Delta I_{L}}]

MOSFET選擇

選擇MOSFET時，需考慮總柵極電荷、RDS(ON)、功耗和封裝熱阻。對于降壓調節(jié)器，可使用以下公式估算MOSFET的功耗：

• 高端MOSFET： [PD{MOS -HI}=left(Q{G} × V{DD} × f{SW}right)+left(frac{V{IN } × I{OUT } timesleft(t{R}+t{F}right) × f{SW}}{2}right)+left(R{DS(ON)} × I_{RMS}-HI^{2}right)]
• 低端MOSFET： [PDMOS -LO=left(Q{G} × V{DD} × f{SW}right)+left(RDS(ON) × I{RMS }-LO^{2} right)]

電容選擇

• 輸入電容：對于降壓調節(jié)器，需考慮開關頻率、峰值電感電流和允許的峰 - 峰電壓紋波；對于升壓調節(jié)器，輸入電容電流波形由電感決定。
• 輸出電容：降壓轉換器中，電感控制紋波電流，輸出電容分流部分紋波電流；升壓轉換器對輸出電容要求更高，需承受全負載。

電流限制

MAX16818具有平均電流限制和打嗝電流限制功能。打嗝電流限制可在故障條件下降低功耗，可通過連接電阻從LIM到地來調整。

補償設計

設計電流控制回路時，需確保電感下降斜率不超過內部斜坡斜率，以避免次諧波振蕩。對于降壓和升壓拓撲，可使用以下公式限制CEA輸出電阻：

• 降壓：[R{C F} leq frac{V{R A M P} × f{S W} × L}{A{V} × g{m} × R{S} × V_{L E D}}]
• 升壓：[R{C F} leq frac{V{R A M P} × f{S W} × L}{A{V} × g{m} × R{S} timesleft(V{L E D}-V{I N}right)}]

PCB布局

合理的PCB布局對于降低噪聲、提高效率和散熱性能至關重要。應遵循以下原則：

• 靠近MAX16818放置IN、VCC和VDD旁路電容。
• 最小化高電流回路的面積和長度。
• 保持關鍵信號線路（如CSP、CSN、SENSE + 和SENSE - ）靠近并避免穿過功率電路。
• 均勻分布功率組件，提供足夠的銅面積進行散熱。

總之，MAX16818為高功率、高亮度LED驅動提供了全面的解決方案。在設計過程中，工程師需要根據(jù)具體應用需求，合理選擇組件，優(yōu)化電路設計和PCB布局，以實現(xiàn)最佳的性能和可靠性。你在實際設計中是否遇到過類似的挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。