文/ADI公司

　　电源产品部设计工程组负责人 Josh Caldwell

　　电源产品部应用工程师 Walker Bai

　　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 V（LED_ISP） – V（LED_ISN） VOLTAGE：稳定的 V（LED_ISP） – V（LED_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 RGBLED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V(FNEG)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LT3744LED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LEDDC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120WLED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。