具有温度管理控制功能的LED驱动器LM3424及其应用

     摘要： 介绍了具有温度管理控制功能的LED驱动器LM3424的引脚功能和典型应用电路， 并对LED电流检测电路和热能回折电路的工作原理作了详细介绍， 以boost典型应用电路为例， 介绍了LM3424芯片主要外围元件的选取方法。

　　0 引言

　　LM3424是美国国家半导体推出的具有温度管理与控制功能的一款新品LED驱动器， 该驱动器可驱动多达18颗串联的高亮度LED， 适用于多种不同的室内/户外照明系统以及汽车照明应用。

　　在典型的应用情况下， LM3424可输出2 A以上的驱动电流， 并可为降压、升压、SEPIC、反激及升/降压拓扑等各类应用提供稳压电流， 可适用于4.5～75 V的较宽输入电压范围， 而且其内置的PWM控制器可支持高速操作。

　　1 引脚功能

　　LM3424采用散热能力更强的20引脚TSSOP封装形式， 其引脚排列如图1所示。各引脚的功能说明如表1所列。

图1 LM3424的引脚排列图

表1 LM3424的引脚功能

　　2 工作原理

　　2.1 平均工作电流

　　为了更好地理解LM3424的平均电流ILED，可先忽略热能回折电路的影响， 在图2所示的LED电流检测电路中， 热能回折电路可等效为一个电流为零的恒流源(ITF=0 A)。LM3424使用外接的电流检测电阻(RSNS) 串接在LED电路中， 它可将LED电流(ILED) 转换为电压(VSNS)。引脚HSP和HSN是检测放大器的两个输入端。由运放知识可知， 该电路的两引脚的电位相等(VHSP=VHSN)， 因此， 检测电阻上的电压VSNS即为电阻RHSP上的电压， 因此， 若ITF=0 A， 则有：

　　而用误差放大器可将CSH端的电压控制在恒为1.24 V， 所以， 该电压VSNS的值为：

　　平均工作电流ILED为：

　　式中的三个电阻RSNS， RCSH和RHSP并不是任意的， 为匹配和减小噪声， 建议将电流ICSH设定为100 μA左右。由于这个电流不流经LED， 所以并不对LED截止电流和LED电流的调节产生影响。

　　ICSH的值可以大于或小于100 μA， 但这样会对检测放大器的补偿特性产生一些影响。另外， 为尽量减小对检测放大器电压偏移的影响， VSNS的极小值建议取50 mV。

　　2.2 热能回折(Thermal Foldback) 电路

　　热能回折电路在许多应用中都是很必要的，由于受到实际工作环境的影响， LED的内部温度可能会飙升至极高的水平。而热能回折电路可以监控系统热能， 以免温度失控。其电路的热能回折原理特性如图3所示， 图中， TBK为温度阈值点，当LED温度高于该值时， 即进入非安全区， LED的寿命及照明效果便会受到影响。而这时， 由于LED电流ILED也开始随之减小， 减少的电流会使LED的亮度随之下降， 但仍然保持在预设范围内， 直至操作温度恢复到安全的操作范围内。事实上， 采用LM3424芯片可为照明系统的LED设置温度及斜坡断点， 从而确保LED停留在安全区内操作。

　　图2 所示的热能回折电路可通过添加到LM3424器件CSH端的电流ITF来实现。当ITF电流增大时， 检测放大器的输出电流会相应减小， 以使LED的电流控制在一个较低的值。当ITF=ICSH时，其可到达温度点TEND， 这时， ILED=0 A。

图2 LED电流检测电路和热能回折电路

图3 理想热能回折特性曲线

　　下面分析该电路的具体控制过程。

　　ITF的大小是由差分电压VDIF决定的(VDIF=VTREF-VTSENSE)， 其中VTREF可由RREF1和RREF2分压得到(典型值为2.45 V)。VTSENSE则可由一个NTC电阻得到， 由图2可知， 若VDIF<0 V， 则检测温度小于TBK， 差分检测放大器的输出ITF=0， 即没有反馈。

　　而检测温度等于TBK时， VDIF=0 V， ITF=0。这时，温度阈值为TBK时的NTC电阻值可由下式得到：

　　通常可设置RREF1=RREF2， 从而有RBIAS=RNTC-BK。

　　若VDIF>0 V (温度高于TBK)， 则运算放大器的输出电压值与VDIF相等， 所以， RGAIN上的电流(由恒流源的知识可知其与ITF相等) 会随着温度的上升而改变， 即ITF为：

　　热能回折电路也可看成是一种模拟调光， 只要想办法控制引脚TREF和TSENSE之间的差分电压，就能改变LED的电流， 从而实现模拟调光。VDIF>0 V时的LED电流可由下式得到：

　　3 典型工作电路及元器件选择设计

　　由于LM3424芯片可为buck、boost、SEPIC和buck-boost拓扑的各类应用提供稳压电流， 本文仅给出boost时典型应用电路， 并以它为例介绍主要元件的选取设计。图4所示是其典型应用电路。

图4 LM3424的boost典型应用电路

　　3.1 电感L1的选择

　　L1是开关调整的主要能量存储器件， 不同的拓扑电路中， 能量从电感传输到负载的方式不同。电感上的纹波电流(ΔiL-PP ) 主要由电感量、通过电感的电压和开关频率决定。在设计过程中， L1需要根据得到的ΔiL-PP来进行选择。对于buck调节器， 由于电感是直接与负载连接， 而不需要接输出电容， 因此， ΔiL-PP基本与LED的纹波电流ΔiLED-PP相等。boost和buck-boost调节器应当接有输出电容， 以用于减小ΔiLED-PP， 因此， 该电感的可允许纹波要比buck 调节器大一些。通常ΔiLED-PP要小于ILED值的40%。由于buck 调节器没有输出电容， 所以， ΔiL-PP应小于ILED的40%。

　　而对于boost和buck-boost 等拓扑电路， 由于有输出电容可以补偿， ΔiL-PP则可以大一些。但是， 一般建议ΔiL-PP要小于平均电感电路的一半， 以限制电感的输出功率。所以boost和buck-boost调节器中的电感取值为：

　　其中， D为占空比， fSW是开关频率。

　　3.2 LED动态电阻

　　当负载为一串LED时， 其输出负载电阻是LED串的动态电阻加上RSNS。由于LED是半导体二极管， 所以， 当通过的电流变化时， 其阻值也会漂移。若只是通过二极管的正向电压除以正向电流得到动态电阻， 则该值是不正确的。其结果可能大于实际值的5～10倍。这一点在设计时必须要考虑。

　　3.3 输出电容

　　对于boost和buck-boost调节器来说， 输出电容(CO) 可为负载提供能量。当续流二极管D1反向截止时， 在buck 中， 输出电容仅仅是减少LED纹波电流(ΔiLED-PP)， 以使其低于电感的纹波电流(ΔiL-PP)。在所有电路结构中， 适当的CO的大小能提供一个合适的ΔiLED-PP。由于ΔiLED-PP要小于LED平均电流(ILED-PP) 的40%。所以， CO应仔细选取，因为它会影响到工作温度和工作电压。一般情况下， 磁片电容是理想的选择。对于boost调节器，CO的取值是：

　　其中， rD=NrLED， N是串联LED的数目， rLED是单个LED的动态电阻。

　　3.4 输入电容

　　输入电容(CIN) 可在开关状态的间断期间提供能量。对于buck和buck-boost， CIN在tON和tOFF时间都提供能量， 而输入电压源则以平均电流(IIN)给输入电容充电。大多数应用中都需要在输入引脚VIN处放置一个0.1 μF的陶瓷电容， 而且它要尽可能的靠近输入引脚。在某些情况下， 大容量的输入电容可能远离LM3424， 但应在大容量输入电容和旁路电容之间放置一个10Ω的串联电阻，从而构成一个150 kHz滤波器， 以滤除不希望的频率噪声。boost调节器时， CIN的取值为：

　　3.5 主MOSFET/调光MOSFET

　　LM3424需外接NFET (Q1) 作为主MOSFET以构成开关调节器。Q1的额定电压至少应高于电路工作电压的15%才能保证正常工作。当PWM调光时， LM3424还需要另一个MOSFET (Q2)， 且它应串联在LED上(在buck中是并联)。该MOSFET的额定电压可与输出电压(VO) 相等， 额定电流至少要高于(ILED) 10%。由于续流二极管(D1) 在tOFF时承载着电感上的电流， 因此， D1通常应选肖特基二极管。

　　4 结束语

　　本文介绍了具有温度管理控制功能的LED驱动器LM3424的主要功能和应用电路的设计方法。

　　同时介绍了其具有的热能回折功能、原理和应用。以boost 典型应用电路为例， 给出了LM3424主要外围元件的选取方法。