20A LED 驱动器提供准确度为 ±3% 的满标度电流检测以适合多种应用
品慧电子讯快速发展的 LED 照明应用正在取代几乎所有传统形式的照明应用。随着这种转型的加速，LED 驱动器的功率需求也提高了，如果不牺牲效率，那么电流越大，保持电流检测准确度就越难。LED 驱动器必须保持电流检测准确度，同时快速向多个独立的 LED 负载提供电流，并能够并联连接和准确均流。
有些高功率 LED 具有独特的机械和电气考虑，其正极电连接至导热的后饰片。在采用降压稳压器配置的传统 LED 驱动器中，热管理是通过冷却底盘来实现的，至后饰片的正极连接线会产生一个机电设计难题。后饰片必须具有至散热器的良好导热性，但也必须与之保持电隔离 (如果后饰片上的电压与底盘不同)。由于 LED 制造商改变生产工艺或封装是很困难的，因此 LED 驱动器本身必须迎接该设计挑战。
一种选项是使用四开关正降压-升压型 LED 驱动器，但是额外的开关 MOSFET 增加了系统复杂性和成本。负输出降压-升压型拓扑仅采用一组开关功率 MOSFET，且允许正极与散热器直接 (电) 连接，从而免除了在散热器上增设电隔离器的需要，并简化了系统的机械设计。
为了满足高性能要求，LT3744 可配置为同步降压型或负输出降压-升压型控制器，以超过 20A 的连续电流驱动 LED 负载。LT3744 的电源输入可以接受 3.3V 至 36V 电压。作为降压型转换器使用时，该器件在 0V 直至电源电压范围内调节 LED 电流。作为负输出降压-升压型转换器使用时，LT3744 可在 0V 直至 -20V 的输出电压范围内准确地调节 LED 电流。
在满标度范围内，模拟电流调节准确度为 3%，甚至在 1/20 标度时，准确度也好于 ±30%。LT3744 有 3 个独立的模拟和数字控制输入以及 3 个补偿及栅极驱动输出，适合多种 LED 配置。通过分离电感器电流检测和 LED 电流检测，LT3744 可配置为降压型或负输出降压-升压型控制器。为了便于系统设计，所有输入信号都以电路板地 (SGND，信号地) 为基准，从而无需复杂的分立式电平转换器。
在负输出降压-升压型配置中，LED 的总体正向电压可以高于输入电源电压，从而允许用低压电源驱动高压 LED 串。当出于 PCB 功率密度考虑，需要分散组件功耗时，LT3744 还可以方便地并联，以驱动很大的 LED 脉冲负载电流或 DC 负载电流。
高准确度电流检测
LT3744 采用一个高准确度电流调节误差放大器，可实现总电流控制范围的1/20 之准确模拟调光。在总体数字 PWM 调光范围有限的应用中，或者在需要非常大的调光范围的应用中，这个特点至关重要。例如，在 100Hz PWM 调光频率和 1MHz 开关频率时，LT3744 能够实现 1250:1 PWM 调光，还可以与 20:1 模拟调光相结合，以使总体调光范围扩大到 25000:1。
图 1 显示了当模拟控制输入为 0V 时，随温度变化 LT3744 失调电压的生产一致性，在这里，典型器件数量为 380 个。凭借误差放大器的低失调，控制环路在 1/20 标度模拟调光时，能够实现 ±10%的典型准确度。图 2 显示了当控制输入等于 1.5V 时，稳定电压在多个 LED 电流检测引脚上的分布。满标度范围的准确度好于 ±3%，这相当于在 60mV 满标度调节电压时准确度为 ±1.8mV。
图 1：VCTRL=0V时，LT3744 中的 LED 电流调节放大器之典型失调电压为 ±300µV
NUMBER OF UNITS：器件数量
380 TYPICAL UNITS：典型情况为 380 个器件
REGULATED VLED_ISP–VLED_ISNVOLTAGE：稳定的 VLED_ISP–VLED_ISN电压
图 2：在满标度电流和 VCTRL= 1.5V时，LED 电流调节环路的典型准确度为 ±1.7%。
无闪烁性能
衡量 LED 驱动器性能的最重要指标之一是 LED 电流在 PWM 调光时的恢复速度。在 PWM 接通信号上升沿之后的头几个开关周期中，驱动器的表现对最终产品的质量有很大影响。LT3744 采用专有 PWM、补偿和时钟同步技术，提供无闪烁性能，甚至在驱动 LED 至 20A 电流时也是如此。
图 3 显示了用 12V 电源向红光 LED 提供 20A 电流时，在 5 分钟时间内 LED 电流的恢复情况。开关频率为 550kHz，电感器为 1µH，PWM 调光频率为 100Hz，接通时间为 10µs(1000:1 调光比)。图中显示了大约 3 万个调光周期，在开关波形中无抖动，每个恢复开关周期都是相同的。
图 3：LT3744 提供无闪烁 LED 调光
10V/DIV：每格 10V
5-MINUTE PERSISTENCE：持续 5 分钟
在 3 种不同稳定电流之间高速调光
在投影系统中，让光源更快速地接通可以减少定时限制。而定时限制减少，又可以提高影像更新率，从而可以提供分辨率更高的影像，并减轻快速移动的白色物体之彩虹效应。LT3744 能够在不到 3 个开关中期中，在不同的输出电流状态之间过渡。
LT3744 有 3 种稳定电流状态，因此色彩混合系统设计师可以决定每个 LED 的色温。通过色彩混合可以实现很高的色彩准确度，以纠正 LED 色彩的不准确性，消除生产系统导致的各种偏差。LT3743 有小电流和大电流两种状态，LT3744 有 3 种电流状态，因此所有 3 种色彩 (RGB) 的 LED 都能够以它们各自的光输出相互混合，以独立地矫正 LED 的色彩。
图 4 显示了一个 24V 输入/20A输出单 LED 驱动器，该驱动器提供 3 种不同的稳定电流，这些电流由 CTRL 上的模拟电压和 PWM 引脚的数字状态决定。请注意，既然 RS仅用于限制电感器峰值电流和提供绝对过流保护，那么这个电阻器的准确度就不必很高，这降低了系统成本。
图 4：LT3744 能够以 3 种不同的电流值驱动单个 LED
20A MAXIMUM：最大值为 20A
BLUE：蓝光
3 种不同电流状态之间的 PWM 调光如图 5 和图 6 所示。在图 5 中，PWM 信号顺序接通和断开。PWM3 的优先级最高，PWM1 则最低。这允许单一输入信号快速转换，以改变输出电流。如图 6 所示，PWM 输入信号之间可以有任意长短的时间间隔。
图 5：LT3744 在 3 种稳定电流状态之间转换，断开时间不到 3 个开关周期。
图6：不同电流状态可以在任何时间接通(状态之间具有或没有时间间隔)
一款适用于微型投影仪或智能手机投影仪的完整 RGB LED 解决方案
在微型投影系统或智能手机投影系统中，减少总体解决方案占用的空间及其成本非常重要。在这类应用中，PCB 空间极其有限，驱动器解决方案的总体积 (包括组件高度) 必须最小化。仅用 1 个 LED 驱动器驱动所有 3 个 LED 可以显著减少所需空间，从而允许使用较大的电池或功率较大的 LED，以延长电池寿命和提高投影系统光通量。
LT3744 同时采用了开关输出电容器技术和浮置栅极驱动器，用单个 LED 驱动器构成了一个完整的 RGB 解决方案。LT3744 为 PWM 输出引脚提供了独特的栅极驱动器。该驱动器的负轨浮置在 VFNEG引脚上，可将所有处于断开状态的开关栅极拉低至负电压。这确保与输出电容器串联的开关在任何条件下都不会接通。这个驱动器允许任意 LED 串之间有 15V 压差。
每个 LED 都可以顺序接通，相互之间有一定的时间延迟，或者按照提供给 PWM 数字输入的任何模式接通。此外，凭借 3 个独立的模拟控制输入，每个 LED 都能够以不同的稳定电流运行。当 LT3744 配置为负输出降压-升压型转换器时，单节锂离子电池仅用单个控制器就可以驱动 3 个独立的 LED 串。图 7 显示了一个专门为 RGB 微型投影仪设计的 3.3V/5A 负输出、3 色、降压-升压型 LED 驱动器。
图 7：LT3744 能够用单节锂离子电池驱动微型投影仪或智能手机投影仪中所有 3 种色彩 (R、G 和 B) 的 LED。
两个 LT3744 LED 驱动器并联以组成 324W 双 LED 驱动器
在任何大功率/大电流控制器设计中都有一个重要的限制因素，那就是 PCB 的功率密度。PCB 功率密度限制到大约 50W/cm2，以防止电源通路组件的温度上升得过高。在极端情况下，当一个 LED 负载需要的功率超过单个驱动器所能提供的限度时 (仍然保持在功率密度限制之内)，多个转换器可以并联以分担负载。
一个具备新式功率 MOSFET 的高效率大电流 LED 驱动器控制器可以提供大约 200W (解决方案尺寸大约为 4cm2)，并可将所有电源通路组件的温度限制到低于 80ºC。就高于 200W 的 LED 负载而言，LT3744 可以并联，以限制任何组件的温度上升。所有补偿输出都应该并联，以允许转换器之间的均流。
图 8 显示了一款 324W 转换器，由两个ADI DC2339A 演示电路板并联组成。在这款设计中，每个并联的控制器都产生 27A 电流，总共产生 54A 电流，电压为 6V。通过将相应的补偿输出连接到一起，两个控制器协调一致地运行，以提供平滑、良好的启动和准确的 DC 调节。
图 8：一款 57A/324W 双 LED 驱动器
图 9 显示了每个电路板的 LED 电流启动过程。请注意，在整个启动过程中，每个电路板提供的稳定电流都是相同的。图 10 显示，在 DC 稳定且未进行 PWM 调光时，两个应用电路板之间实现了出色的电流均分(波形是直接在彼此的顶部)。图 11 显示，在 100% 占空比时，温度上升至比电路板环境温度高约 55ºC。组件 L1 是电感器、Q1 和 Q3 是开关功率 FET，R5 是电感器电流检测电阻器，R32 是 LED 电流检测电阻器，U1 是 LT3744。
ADI大功率 LED 驱动器控制器系列总结
图 9：启动时 LED 电流均分
CHANNEL：通道
10ms/DIV：每格 10ms
图 10：在满负载时 LED DC 电流均分，两个并联驱动器之间的电流差别非常小。
图 11：100% 占空比、向 LED 提供 324W 功率时，并联电路板的温度。
在这个应用中，可以对两个独立的 LED 串在 54A 满电流时进行 PWM 调光。进行 PWM 调光时，图 12 显示，LED 电流在两个驱动器之间是完全地均分的。在这个测试中，LED 电流从 0A 到 54A 的上升时间为 6.6µs。从每个驱动器输出到 LED 的电气连接必须仔细平衡，以避免在任一通路中增加电感，这会缩短有效上升时间。
图 12：在进行 PWM 调光时，LT3744 的并联驱动器之间实现了出色的 LED 电流均分。
图 13 显示，LED 电流为 54A、进行 50% PWM 调光时，每个演示电路板的温度上升情况。为了最大限度减小每个演示电路板到 LED 的电感，并联 LED 驱动器电路板直接安装在彼此的顶部。一种更加优化的布局是，将两个驱动器安装在单个电路板上，每个驱动器的布局相互成镜像，跨它们与 LED 的共用连接反射。无论何时，只要是设计从 LED 驱动器到大电流 LED 的传导通路，就应该密切注意总体电感。既然电感是导线长度的函数，那么导线越长，LED 中的电流恢复时间就越长，无论驱动器速度有多快。
图 13：50% PWM 调光、向 LED 提供 54A 脉冲电流时，并联电路板的温度。
两个 LT3744 并联，组成负输出降压-升压型 120W LED 驱动器
与非负输出转换器一样，负输出降压-升压型应用也有同样的热量问题，此外还增加了电感器电流增大的设计挑战。就低输入电压和高 LED 电压而言，电感器中的平均电流有可能非常大。例如，如果输入为 3.3V，输出驱动一个绿光 LED，该 LED 在 20A 时的正向电压为 6V，那么电感器峰值电流为 70A。此设计中所用电感器的饱和电流应该至少高出 20%，那么本例中就应该高于 80A。
既然这一电流流经开关 MOSFET，那么 MOSFET 的额定值就必须大于 80A。通过并联两个 LT3744 负输出降压-升压型转换器，峰值开关电流就减小了一半，从而降低了对电源通路组件的要求。
在负输出降压-升压型拓扑中，仅在同步 FET 导通时，电感器电流才提供给负载。如果允许两个并联转换器以其自由运行频率运作，那么在 LED 电流纹波中会有明显的拍频，这是由开关频率的轻微差别导致的。为了避免这个问题，每个转换器都采用电阻值相同的 RT，但是这些转换器都用一个外部时钟同步。在图 14 所示应用中，转换器设计为以 300kHz 非同步频率运行，同步时钟为 350kHz。
图 14：并联负输出应用向连接到系统外壳的公共阳极 LED 提供 120W 功率。
图 15 显示，向并联负输出降压-升压型应用中的 LED 提供 30A 电流时，组件温度的上升情况。
图 15：向 LED 提供 120W 功率的并联负输出电路板的温度
结论
LT3744 的特点包括很高的电流调节准确度、浮置 PWM 栅极驱动器和输入信号电平转换，可以在多种应用中用来驱动 LED。LT3744 能够用作 RGB 投影系统中的单个驱动器，从而显著减小总体解决方案所需占用的空间，这就有可能用智能手机实现光输出很大的视频投影。
通过运用 3 种电流调节状态，LT3744 使系统设计师能够自由决定 LED 色彩，从而产生色彩更加准确的视频影像。通过直接调节 LED 电流和对所有信号进行电平转换，LT3744 能够产生负电压，从而允许凭借简单的双开关解决方案，用低压电池供电系统驱动多个 LED 串。LT3744 可以非常简便地并联，以向 LED 高效率提供极大的电流，同时保持电流准确度和电流均分，甚至在 PWM 调光时也是如此。并联 LT3744 降低了电路板温度和电感器电流，并将所支持的 LED 功率提高到数百瓦。
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