MAX16821A：高功率同步HBLED驱动器

MAX16821A/MAX16821B/MAX16821C：高功率同步HBLED驱动器

在LED驱动领域，对于高功率、高亮度LED（HB LED）的驱动需求日益增长。Maxim Integrated推出的MAX16821A、MAX16821B和MAX16821C系列PWM LED驱动控制器，为这一需求提供了出色的解决方案。不过需要注意的是，该系列产品不推荐用于新设计，新设计建议参考MAX20078。

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产品概述

MAX16821A - MAX16821C能够在紧凑的封装中提供高输出电流能力，并且仅需最少数量的外部组件。它们适用于同步和非同步的降压、升压、降压 - 升压、SEPIC和Cuk等多种LED驱动拓扑结构。通过逻辑输入（MODE），设备可以在同步降压和升压模式之间切换，而且是专门为适应共阳极HB LED而设计的首批高功率驱动器。

产品特性亮点

输出电流与控制模式

• 高输出电流：能够提供高达30A的输出电流，满足高功率LED的驱动需求。
• 平均电流模式控制：采用平均电流模式控制技术，允许使用具有最佳电荷和导通电阻品质因数的MOSFET，即使在提供高达30A的LED电流时，也能最大程度减少对外部散热的需求。

电流感测与电压范围

• 差分感测方案：提供精确的LED电流控制，确保LED发光的稳定性和一致性。
• 宽输入电压范围：当内部稳压器禁用（VCC连接到IN）时，可在4.75V至5.5V的电源范围内工作；当内部稳压器启用时，可在7V至28V的输入电源电压下工作。

时钟输出与频率范围

• 180°相位延迟时钟输出：能够控制第二个异相LED驱动器，减少输入和输出滤波电容器的尺寸，并最小化纹波电流。
• 宽开关频率范围：开关频率范围为125kHz至1.5MHz，允许使用小型电感器和电容器，有助于减小电路体积。

其他特性

• 可编程过压保护：保护外部电路免受过高电压的损害，提高系统的可靠性。
• 输出使能功能：方便控制驱动器的开启和关闭。

应用领域

该系列产品广泛应用于各种需要高功率LED驱动的领域，如前投影仪/背投电视、便携式和袖珍投影仪以及LCD电视和显示器背光等。

电气特性详解

输入电压与静态电流

• 输入电压范围：内部LDO开启时为7V至28V；内部LDO关闭（VCC连接到VIN）时为4.75V至5.5V。
• 静态电源电流：在V EN = V CC或SGND且无开关操作时，典型值为2.7mA，最大值为5.5mA。

LED电流调节器

不同型号（MAX16821A、MAX16821B、MAX16821C）在不同输入电压和开关频率条件下，具有不同的差分设定值，以满足多样化的应用需求。

振荡器与同步

• 开关频率范围：可在125kHz至1500kHz之间进行调节，通过连接不同阻值的电阻（R T ）可以精确设置开关频率。
• SYNC功能：可以与外部时钟同步，增强了系统的灵活性。

电感电流限制

具有平均电流限制阈值和反向电流限制阈值，能够有效保护电路在异常情况下的安全。

引脚功能说明

各个引脚都有其特定的功能，例如：

• PGND：电源接地。
• DL和DH：分别为低侧和高侧栅极驱动器输出。
• CLKOUT：振荡器输出，其相位与DH或DL的上升沿相差180°，具体取决于MODE的逻辑电平。
• MODE：用于选择降压/升压模式，具有内部5µA下拉电流到地。
• EN：输出使能，具有内部15µA上拉电流。

工作原理深入剖析

控制环路

采用平均电流模式控制方案，主要控制环路由用于控制电感电流的内部电流调节环路和用于调节LED电流的外部电流调节环路组成。内部电流调节环路吸收了电感和输出电容器组合的双极点，将外部电流调节环路的阶数降低到单极点系统，从而提高了系统的稳定性和控制精度。

电感电流感测放大器

提供34.5V/V的直流增益，典型输入失调电压为0.1mV，共模电压范围为0至5.5V（V IN = 7V至28V），能够准确感测电感电流。

PWM比较器和R - S触发器

内部PWM比较器通过将电流误差放大器的输出与2V P - P的斜坡信号进行比较来设置占空比。在每个时钟周期开始时，R - S触发器复位，根据MODE的连接情况，高侧驱动器（DH）或低侧驱动器（DL）开启，当斜坡信号超过CLP电压时，比较器设置触发器，从而终止导通周期。

保护功能

过压保护（OVP）

当输出电压超过OVP阈值时，OVP会禁用MAX16821A - MAX16821C，保护外部电路免受过高电压的损害。在故障条件下，当负载变为高阻抗（输出开路）时，控制器会尝试维持LED电流，此时OVP发挥作用，确保系统安全。

电流限制

误差放大器（VEA）输出在相对于共模电压（VCM）的 - 0.050V和 + 0.93V之间钳位，平均电流模式控制在故障条件下限制转换器提供的平均电流。

应用电路设计

升压LED驱动器

在升压拓扑中，输入电压在导通时间内对电感充电，在关断时间内电感向输出放电，输出电压不能低于输入电压。通过合理选择电阻R1和R2，可以实现对电感电流和LED电流的精确控制。

输入参考的降压 - 升压LED驱动器

该电路类似于升压转换器，但LED连接方式不同，允许LED两端的电压大于或小于输入电压。由于LED电流感测不是以地为参考，因此需要使用高端电流感测放大器来测量电流。

SEPIC LED驱动器

SEPIC拓扑允许输出电压大于、等于或小于输入电压。在这种拓扑中，C3两端的电压与输入电压相同，L1和L2具有相同的电感。由于采用双电感和分段能量传输，SEPIC转换器的效率低于标准的降压或升压配置。

带同步整流的低侧降压驱动器

输入电压范围为7V至28V，由于基于地的电流感测电阻，输出电压可以高达输入电压。同步MOSFET能够将功耗降至最低，特别是在输入电压相对于LED串电压较大时。

带同步整流的高侧降压驱动器

输入电压同样为7V至28V，LED负载连接在正端与电流感测电阻（R1）和电感串联，MODE连接到VCC。通过高端电流感测放大器将电感电流感测信号传输到低端，实现对LED电流的精确调节。

元件选择建议

电感器选择

电感器的选择需要考虑开关频率、峰值电感电流和输出允许的纹波等因素。较高的开关频率可以降低电感要求，但会牺牲效率。对于不同的拓扑结构，需要使用不同的公式来计算最小电感值。同时，要选择饱和电流大于最坏情况下峰值电感电流的电感器，以防止电感饱和。

开关MOSFET选择

选择MOSFET时，要考虑总栅极电荷、RDS(ON)、功耗和封装热阻等因素。建议选择针对高频开关应用优化的MOSFET，以减少开关损耗。可以使用特定的公式来估算高侧和低侧MOSFET的功率损耗。

输入和输出电容器选择

• 输入电容器：对于降压转换器，由于不连续的输入电流波形会在输入电容器中产生较大的纹波电流，因此需要使用具有高纹波电流能力的低ESR陶瓷电容器。在升压拓扑中，由于电感与输入串联，电容器中的纹波电流与电感纹波相同，输入电容较小。
• 输出电容器：输出电容器的作用是将输出纹波降低到可接受的水平。在大多数应用中，使用低ESR陶瓷电容器可以显著降低输出ESR和ESL的影响。对于不同的拓扑结构，需要使用不同的公式来计算输出电容值。

补偿设计

在设计电流控制环路时，关键是要确保电流误差放大器（CEA）输出的增益不超过内部斜坡斜率，以避免类似峰值电流模式中由于斜率补偿不足而产生的次谐波振荡。对于不同的拓扑结构（如降压和升压），需要使用不同的公式来计算补偿电阻的值。同时，为了获得足够的相位裕度，需要合理设置由R CF和C Cz形成的零点位置。

设计注意事项

PWM调光

虽然MAX16821A - MAX16821C没有单独的PWM输入，但可以通过简单的外部电路实现PWM调光。在实际应用中，我们可以参考相关的电路图进行设计。

功率耗散计算

可以通过输入电压和总VCC稳压器输出电流（ICC）的乘积来计算MAX16821A - MAX16821C的功率耗散。ICC包括静态电流（IQ）和栅极驱动电流（IDD）。同时，还可以使用特定的公式计算在给定环境温度下芯片的最大功率耗散。

PCB布局

合理的PCB布局对于保证驱动器的性能至关重要。要将IN、VCC和VDD旁路电容器靠近IC放置，最小化高电流开关环路的面积和长度，将必要的肖特基二极管靠近相应的MOSFET放置，使用单独的接地平面并在IC的暴露焊盘附近连接SGND和PGND，将输出电容器组靠近负载放置等。

总结

MAX16821A、MAX16821B和MAX16821C系列PWM LED驱动控制器凭借其出色的性能和丰富的功能，为高功率HB LED驱动提供了可靠的解决方案。在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求，合理选择元件、进行补偿设计和PCB布局，以充分发挥该系列产品的优势。你在使用该系列产品时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。