MAX16831：高壓、大功率LED驅(qū)動(dòng)芯片的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，選擇一款合適的LED驅(qū)動(dòng)芯片至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入了解一下Maxim Integrated推出的MAX16831，一款專為高壓、大功率LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的芯片。

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一、芯片概述

MAX16831是一款電流模式的高亮度LED（HBLED）驅(qū)動(dòng)芯片，它能夠控制兩個(gè)外部n溝道MOSFET，實(shí)現(xiàn)單串LED的電流調(diào)節(jié)。該芯片集成了實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)光控制的固定頻率HBLED驅(qū)動(dòng)器所需的所有組件，可配置為降壓（buck）、升壓（boost）或升降壓（buck - boost）電流調(diào)節(jié)器。

（一）特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入范圍：支持6V至76V的寬輸入電壓范圍，冷啟動(dòng)時(shí)可低至5.5V，能適應(yīng)多種復(fù)雜的電源環(huán)境，尤其適用于汽車應(yīng)用。
2. 高效節(jié)能：在汽車應(yīng)用中，使用MAX16831的HBLED驅(qū)動(dòng)器效率可超過(guò)90%，有助于降低功耗，提高能源利用率。
3. 精準(zhǔn)調(diào)光：具備模擬和PWM調(diào)光控制功能，調(diào)光頻率可達(dá)2kHz，在較低調(diào)光頻率下可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1000:1的調(diào)光比，能滿足不同場(chǎng)景下對(duì)LED亮度的精確調(diào)節(jié)需求。
4. 集成度高：集成了差分LED電流感測(cè)放大器、浮動(dòng)調(diào)光驅(qū)動(dòng)器等，減少了外部組件的使用，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
5. 保護(hù)功能完善：擁有輸出過(guò)壓、負(fù)載突降、LED短路、過(guò)溫保護(hù)等多種保護(hù)功能，能有效提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

MAX16831的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要包括：

1. 汽車外部照明：如遠(yuǎn)光燈、近光燈、信號(hào)燈、后組合燈、日間行車燈、霧燈和自適應(yīng)前照燈組件等。
2. 工業(yè)和建筑照明：為工業(yè)場(chǎng)所和建筑物提供照明解決方案。
3. 應(yīng)急照明：在緊急情況下提供可靠的照明保障。
4. RGB LED光源投影儀：實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的投影顯示。
5. 導(dǎo)航和海洋指示器：為導(dǎo)航和海洋設(shè)備提供指示功能。

二、電氣特性分析

（一）輸入輸出參數(shù)

1. 輸入電壓范圍：5.5V至76V，能適應(yīng)不同的電源電壓波動(dòng)。
2. 電源電流：在正常工作時(shí)，電源電流典型值為2.7至4.5mA；關(guān)機(jī)電流小于45μA，有助于降低功耗。
3. 內(nèi)部穩(wěn)壓器：包含5V的REG1穩(wěn)壓器、7V的REG2穩(wěn)壓器和8V的CLMP穩(wěn)壓器，為內(nèi)部電路和外部MOSFET驅(qū)動(dòng)器提供穩(wěn)定的電源。
4. 參考電壓輸出：REF輸出電壓為2.85V至3.15V，可用于模擬調(diào)光控制。

（二）關(guān)鍵電路參數(shù)

1. 電流感測(cè)放大器：差分輸入電壓范圍為0至0.3V，共模范圍為0至VCC，能精確測(cè)量LED電流。
2. 調(diào)光驅(qū)動(dòng)器：源電流和灌電流能力較強(qiáng)，可驅(qū)動(dòng)外部n溝道MOSFET進(jìn)行調(diào)光。
3. 柵極驅(qū)動(dòng)器：具備4.0V至4.4V的UVLO閾值，能有效保護(hù)外部MOSFET，峰值灌電流可達(dá)2.5A，峰值源電流可達(dá)1.4A，可驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET。

三、工作原理及配置

（一）電流調(diào)節(jié)原理

MAX16831通過(guò)兩個(gè)電流調(diào)節(jié)環(huán)路實(shí)現(xiàn)精確的LED電流控制。一個(gè)環(huán)路通過(guò)感測(cè)電阻RSENSE控制外部開關(guān)MOSFET的峰值電流，另一個(gè)環(huán)路通過(guò)與LED串聯(lián)的感測(cè)電阻RCS控制LED串的平均電流，從而實(shí)現(xiàn)5%的輸出電流精度。

（二）配置方式

1. 降壓（buck）配置：適用于輸入電壓高于輸出電壓的場(chǎng)景，可有效降低電壓，提高效率。
2. 升壓（boost）配置：用于輸入電壓低于輸出電壓的情況，能將電壓升高，滿足LED的工作需求。
3. 升降壓（buck - boost）配置：可在輸入電壓與輸出電壓的各種關(guān)系下工作，具有更廣泛的適用性。

四、引腳功能詳解

MAX16831采用32引腳薄型QFN封裝，各引腳功能如下：

1. UVEN：欠壓鎖定（UVLO）閾值/使能輸入，可通過(guò)電阻分壓器設(shè)置UVLO閾值，控制芯片的開啟和關(guān)閉。
2. REG1：5V穩(wěn)壓器輸出，為內(nèi)部電路供電。
3. REF：3V緩沖參考輸出，可用于模擬調(diào)光控制。
4. DIM：調(diào)光控制輸入，支持模擬和PWM調(diào)光信號(hào)。
5. RTSYNC：同步輸入/輸出，可通過(guò)外部電阻設(shè)置開關(guān)頻率或同步到外部時(shí)鐘。
6. CLKOUT：時(shí)鐘輸出，可用于多通道配置。
7. DRV：柵極驅(qū)動(dòng)器輸出，連接外部n溝道MOSFET進(jìn)行開關(guān)操作。
8. DGT：調(diào)光柵極驅(qū)動(dòng)器輸出，連接外部n溝道MOSFET進(jìn)行調(diào)光。

五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（一）欠壓鎖定設(shè)置

通過(guò)電阻分壓器連接UVEN到VCC，可設(shè)置欠壓鎖定閾值。同時(shí)，需要添加電容CUVEN，防止在電源啟動(dòng)和調(diào)光過(guò)程中因線路阻抗下降導(dǎo)致UVLO閾值處出現(xiàn)抖動(dòng)。

（二）軟啟動(dòng)功能

MAX16831具有4ms的軟啟動(dòng)延遲，可使負(fù)載電流以受控方式上升，減少輸出過(guò)沖。在軟啟動(dòng)期間，DIM信號(hào)將被忽略。

（三）內(nèi)部穩(wěn)壓器

REG1、REG2和CLMP穩(wěn)壓器在VCC超過(guò)UVLO閾值時(shí)上電，分別為內(nèi)部電路和外部MOSFET驅(qū)動(dòng)器提供電源。使用時(shí)需注意其輸出電壓和負(fù)載能力。

（四）調(diào)光控制

DIM輸入支持模擬和PWM控制信號(hào)。在PWM調(diào)光時(shí)，需選擇低泄漏的電容C1和C2，以保持控制環(huán)路的穩(wěn)定性。

（五）故障保護(hù)

芯片具備過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、HICCUP模式電流限制保護(hù)和熱關(guān)斷等功能。通過(guò)連接OV到HI的電阻分壓器可設(shè)置過(guò)壓閾值，HICCUP模式可在嚴(yán)重故障時(shí)限制外部MOSFET的功耗。

六、元件選擇與布局建議

（一）電感選擇

電感的選擇需要考慮工作頻率、輸入輸出電壓差和電感電流紋波等因素。一般建議選擇電感電流紋波為滿載電流的30%，以平衡尺寸、成本和效率。不同配置下的電感計(jì)算公式如下：

1. 降壓配置：(L=frac{V{OUT } timesleft(V{INMAX }-V{OUT }right)}{V{INMAX } × f{SW } × Delta I{L}})
2. 升壓配置：(L=frac{V{INMIN } timesleft(V{OUT }-V{INMIN }right)}{V{OUT } × f{SW } × Delta I{L}})
3. 升降壓配置：(L=frac{V{OUT } × V{INMIN }}{left(V{OUT }+V{INMIN }right) × f{SW } × Delta I{L}})

（二）輸出電容

輸出電容的作用是降低輸出紋波。在不同配置下，可根據(jù)以下公式計(jì)算輸出電容：

1. 降壓配置：(C{F} geq frac{left(V{INMAX }-V{OUT }right) × V{OUT }}{Delta V{R} × 2 × L × V{INMAX } × f_{SW }^{2}})
2. 升壓配置：(C{F} geq frac{left(V{OUT }-V{INMIN }right) × 2 × I{OUT }}{Delta V{R} × V{OUT } × f_{SW}})
3. 升降壓配置：(C{F} geq frac{2 × V{OUT } × I{OUT }}{Delta V{R} timesleft(V{OUT }+V{INMIN }right) × f_{SW}})

（三）輸入電容

在降壓配置中，需要在輸入線和地之間連接低ESR的輸入電容，以處理最大輸入RMS紋波電流。同時(shí)，可添加電解電容防止輸入振蕩。

（四）布局建議

1. 盡量減少高di/dt環(huán)路和高dv/dt表面的面積，如縮短攜帶開關(guān)電流的PCB走線長(zhǎng)度，減小MOSFET散熱片的表面積。
2. 使用接地平面，將AGND、SGND和QGND連接到接地平面，確保所有接地點(diǎn)之間的低阻抗連接。
3. 隔離功率組件和高電流路徑與敏感的模擬電路，保持高電流路徑短，特別是在接地端子處。
4. 確保反饋連接到FB的走線短而直接，避免高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)靠近敏感的模擬區(qū)域。
5. 為防止補(bǔ)償電容C1和C2在調(diào)光周期的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)放電，需保證這些組件附近的PCB區(qū)域具有極低的泄漏。

七、總結(jié)

MAX16831是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的高壓、大功率LED驅(qū)動(dòng)芯片。它具有寬輸入范圍、高效節(jié)能、精準(zhǔn)調(diào)光、保護(hù)功能完善等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，電子工程師需要充分了解其工作原理、引腳功能和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，合理選擇元件并進(jìn)行優(yōu)化布局，以充分發(fā)揮芯片的性能，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

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