MAX16821A/MAX16821B/MAX16821C：高功率同步HBLED驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)解析

在LED驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，高功率、高性能的驅(qū)動(dòng)器一直是工程師們追求的目標(biāo)。MAX16821A、MAX16821B和MAX16821C這三款脈沖寬度調(diào)制（PWM）LED驅(qū)動(dòng)控制器，以其獨(dú)特的性能和豐富的功能，在高功率同步HBLED驅(qū)動(dòng)市場中占據(jù)了一席之地。本文將深入解析這三款驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用電路以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX16821A、MAX16821B和MAX16821C適用于同步和非同步降壓（buck）、升壓（boost）、降壓 - 升壓（buck - boost）、SEPIC和Cuk LED驅(qū)動(dòng)器。它們采用平均電流模式控制技術(shù)，能夠在緊湊的封裝中提供高達(dá)30A的輸出電流，同時(shí)減少外部組件的數(shù)量。通過邏輯輸入（MODE），可以在同步降壓和升壓模式之間切換，并且是專門為適應(yīng)共陽極HB LED而設(shè)計(jì)的首批高功率驅(qū)動(dòng)器。

二、關(guān)鍵特性

2.1 強(qiáng)大的輸出能力

• 高電流輸出：能夠提供高達(dá)30A的輸出電流，滿足高功率LED的驅(qū)動(dòng)需求。
• 精準(zhǔn)的電流控制：采用差分傳感方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED電流的精確控制。

2.2 靈活的輸入電壓范圍

• 當(dāng)內(nèi)部LDO禁用時(shí)（VCC連接到IN），輸入電壓范圍為4.75V至5.5V；當(dāng)內(nèi)部LDO啟用時(shí)，輸入電壓范圍為7V至28V。

2.3 高效的控制模式

• 平均電流模式控制：允許使用具有最佳電荷和導(dǎo)通電阻品質(zhì)因數(shù)的MOSFET，即使在輸出高達(dá)30A的LED電流時(shí)，也能減少對(duì)外部散熱的需求。

2.4 頻率特性

• 寬開關(guān)頻率范圍：開關(guān)頻率范圍為125kHz至1.5MHz，允許使用小電感和電容。
• 時(shí)鐘輸出：具有180°相位延遲的時(shí)鐘輸出，可控制第二個(gè)異相LED驅(qū)動(dòng)器，減少輸入和輸出濾波電容的尺寸，并最小化紋波電流。

2.5 保護(hù)與功能特性

• 可編程過壓保護(hù)：保護(hù)外部電路免受過高電壓的損害。
• 輸出使能功能：方便控制驅(qū)動(dòng)器的開啟和關(guān)閉。

三、工作原理

3.1 輸入電壓與電源管理

MAX16821A - MAX16821C的輸入電壓范圍根據(jù)內(nèi)部LDO的啟用情況有所不同。當(dāng)內(nèi)部LDO啟用時(shí)，可處理7V至28V的輸入電壓，并提供穩(wěn)定的5V輸出；當(dāng)禁用時(shí)，可在4.75V至5.5V的輸入電壓下工作。VDD輸入為低側(cè)和高側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器提供電源，通過R - C濾波器連接到VCC，以隔離模擬電路和MOSFET驅(qū)動(dòng)器。

3.2 欠壓鎖定（UVLO）

內(nèi)置UVLO和2048時(shí)鐘周期的上電復(fù)位電路，UVLO上升閾值設(shè)置為4.3V，具有200mV的遲滯，可避免啟動(dòng)時(shí)的抖動(dòng)。在輸入電壓達(dá)到4V時(shí)，大部分內(nèi)部電路（包括振蕩器）開啟。

3.3 軟啟動(dòng)

內(nèi)部軟啟動(dòng)功能可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的無干擾上升。在2048個(gè)上電復(fù)位時(shí)鐘周期后，連接到內(nèi)部誤差放大器正輸入的0.6V參考電壓在1024個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)逐漸上升到最終值，減少浪涌電流和系統(tǒng)組件的應(yīng)力。

3.4 內(nèi)部振蕩器與同步

內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率與RT電阻值成反比，可通過連接從RT/SYNC到SGND的單個(gè)電阻將頻率調(diào)整在125kHz至1.5MHz范圍內(nèi)。同時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器可以同步到連接到RT/SYNC的外部時(shí)鐘，一旦同步，為保證可靠運(yùn)行，外部時(shí)鐘不能移除。

3.5 控制環(huán)路

采用平均電流模式控制方案來調(diào)節(jié)輸出電流，主要控制環(huán)路由用于控制電感電流的內(nèi)部電流調(diào)節(jié)環(huán)路和用于調(diào)節(jié)LED電流的外部電流調(diào)節(jié)環(huán)路組成。內(nèi)部電流調(diào)節(jié)環(huán)路吸收電感和輸出電容組合的雙極點(diǎn)，將外部電流調(diào)節(jié)環(huán)路的階數(shù)降低到單極點(diǎn)系統(tǒng)。

四、應(yīng)用電路

4.1 升壓LED驅(qū)動(dòng)器

當(dāng)MODE連接到VCC時(shí)，MAX16821A - MAX16821C可配置為同步升壓轉(zhuǎn)換器。在導(dǎo)通期間，輸入電壓對(duì)電感充電；在關(guān)斷期間，電感向輸出放電，輸出電壓不會(huì)低于輸入電壓。

4.2 輸入?yún)⒖冀祲?- 升壓LED驅(qū)動(dòng)器

類似于升壓轉(zhuǎn)換器，但LED跨接在輸出和輸入之間，允許LED兩端的電壓大于或小于輸入電壓。由于LED電流傳感不是以地為參考，因此使用高端電流傳感放大器來測(cè)量電流。

4.3 SEPIC LED驅(qū)動(dòng)器

SEPIC拓?fù)湓试S輸出電壓大于、等于或小于輸入電壓。在這種拓?fù)渲?，C3兩端的電壓與輸入電壓相同，L1和L2具有相同的電感。Q1導(dǎo)通時(shí)，兩個(gè)電感的電流以相同速率上升；Q1關(guān)斷時(shí)，L1電流對(duì)C3充電，并與L2一起為C1充電并提供負(fù)載電流。

4.4 帶同步整流的低側(cè)降壓驅(qū)動(dòng)器

輸入電壓范圍為7V至28V，由于采用基于地的電流傳感電阻，輸出電壓可高達(dá)輸入電壓。同步MOSFET可將功耗降至最低，特別是在輸入電壓遠(yuǎn)大于LED串電壓時(shí)。

4.5 帶同步整流的高側(cè)降壓驅(qū)動(dòng)器

輸入電壓范圍為7V至28V，LED負(fù)載連接在正端和與電感串聯(lián)的電流傳感電阻（R1）之間，MODE連接到VCC。通過高端電流傳感放大器將電感電流傳感電壓傳輸?shù)降蛡?cè)，以調(diào)節(jié)LED電流。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 電感選擇

電感的選擇取決于開關(guān)頻率、電感峰值電流和輸出允許的紋波。較高的開關(guān)頻率可降低電感要求，但會(huì)降低效率。應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)的高電流、表面貼裝電感系列，特殊應(yīng)用可能需要定制電感，并使用高頻磁芯材料。

5.2 開關(guān)MOSFET選擇

選擇MOSFET時(shí)，需考慮總柵極電荷、RDS(ON)、功耗和封裝熱阻。應(yīng)選擇針對(duì)高頻開關(guān)應(yīng)用優(yōu)化的MOSFET，并根據(jù)相關(guān)公式估算高側(cè)和低側(cè)MOSFET的功率損耗。

5.3 電容選擇

• 輸入電容：降壓轉(zhuǎn)換器的不連續(xù)輸入電流波形會(huì)導(dǎo)致輸入電容產(chǎn)生大的紋波電流，應(yīng)使用低ESR、高紋波電流能力的陶瓷電容。
• 輸出電容：輸出電容的作用是將輸出紋波降低到可接受的水平，可使用低ESR陶瓷電容，并通過相應(yīng)公式計(jì)算不同拓?fù)湎碌妮敵鲭娙葜怠?/li>

5.4 平均電流限制

在降壓配置中，MAX16821A - MAX16821C可準(zhǔn)確限制最大輸出電流；在升壓配置中，可準(zhǔn)確限制最大輸入電流。應(yīng)根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算電流傳感電阻值，并選擇合適的電阻。

5.5 補(bǔ)償

設(shè)計(jì)電流控制環(huán)路時(shí)，需確保電感下降斜率（在CEA輸出端變?yōu)樯仙甭剩┎怀^內(nèi)部斜坡斜率，以避免次諧波振蕩。根據(jù)不同拓?fù)?，通過相關(guān)公式計(jì)算補(bǔ)償電阻值和交叉頻率，并合理放置零極點(diǎn)。

5.6 PWM調(diào)光

雖然MAX16821A - MAX16821C沒有單獨(dú)的PWM輸入，但可通過簡單的外部電路實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。

5.7 功率耗散

根據(jù)輸入電壓和總VCC調(diào)節(jié)器輸出電流計(jì)算MAX16821A - MAX16821C的功率耗散，并根據(jù)環(huán)境溫度計(jì)算芯片的最大功率耗散。

5.8 PCB布局

合理的PCB布局對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的性能至關(guān)重要。應(yīng)遵循以下原則：

• 將IN、VCC和VDD旁路電容靠近MAX16821A - MAX16821C放置。
• 最小化高電流開關(guān)環(huán)路的面積和長度。
• 將連接在開關(guān)MOSFET兩端的肖特基二極管靠近相應(yīng)的MOSFET放置。
• 在PCB的不同層使用單獨(dú)的接地平面分別用于SGND和PGND，并在MAX16821A - MAX16821C的暴露焊盤下方單點(diǎn)連接。
• 使電流傳感線CSP和CSN、SENSE +和SENSE - 彼此靠近，避免與功率電路交叉，并使用接地平面層將功率走線與這些關(guān)鍵信號(hào)走線分開。
• 將輸出電容組靠近負(fù)載放置。
• 均勻分布功率組件，以實(shí)現(xiàn)良好的散熱。
• 在開關(guān)MOSFET、電感和傳感電阻周圍提供足夠的銅面積，以幫助散熱。
• 使用2oz或更厚的銅來降低走線電感和電阻，提高散熱效率。

六、總結(jié)

MAX16821A、MAX16821B和MAX16821C以其卓越的性能和豐富的功能，為高功率同步HBLED驅(qū)動(dòng)提供了可靠的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇組件，優(yōu)化電路布局，以確保驅(qū)動(dòng)器的性能和可靠性。同時(shí)，隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，這些驅(qū)動(dòng)器也將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。你在使用這些驅(qū)動(dòng)器的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。