LED背光boost驱动器

Jim Christensen，应用工程师

LED显示器背光驱动器采用具有自适应反馈的boost电源，提高效率并提供高调光比（2 000：1）的线性吸电流调节。输入电压范围8～18 V，承受50 V瞬态电压，负载为3串并联的LED，每串包含8只 LED（34 V），每串电流可达150 mA。MAX16809是具有该功能的16通道LED驱动器。

该参考设计用于TFT显示屏的LED背光驱动，输入电气要求和输出特性如下：1）VIN为 8 VDC（1.667 A）～18VDC（730 mA）， 可以承受 50VDC瞬态电压；2）PWMIN为 250 Hz脉冲串，2 μs（最小值）脉冲，0 mA 时大于 3.3VDC，10 mA 时小于0.3VDC；3）VLED配置为 6 或 8 只 LED （2.89VDC～4.2VDC） 串联（34VDC，最大值），3串并联，每串电流150 mA。图1为该参考设计的驱动器电路原理图。

图1 驱动器电路原理图

本参考设计采用MAX16809作为主控制器，用于电源升压转换和16端口的LED驱动。16个端口中15个端口按照5个端口为1组，驱动3串并联的LED。Boost电源的输出电压始终高于输入电源电压。Boost电源工作频率为200 kHz，其速率满足选择小尺寸功率元件的需求，而且该开关频率不会导致开关MOSFET过热。

输出端采用2只低ESR电解电容。当PWM信号关闭负载使其电流为零时，这些电容用于吸收电源的电感能量。LED串的输出电压则由4个引脚连接器提供，其中VLED+连接在连接器的1引脚，VLED-引脚分别连接至连接器的2～4引脚。必要时可使用所提供的输出滤波电容焊盘；本设计中没有安装这些电容。VQ2-VD2-R8电路为电流模式PWM控制器提供斜率补偿。该电路跟随RTCT电压波动，向R7注入电流，从而产生斜坡电压，防止在占空比超过50%时（当输入电压较低时）导致控制器谐波振荡。

该boost电路反馈有两种模式：自适应和静止。自适应模式（当PWM信号为高时）下产生“二极管或”输出，从而使最低驱动器电压（最大LED串联压降）调整到约1.0VDC，为保证LED驱动器正常工作提供足够裕量。其他LED串具有较低的串联压降，所以这些驱动器具有更大裕量。自适应模式把线性LED驱动器产生的功耗降至最低。该模式下，当LED的绝对正向导通电压不太严格时，LED之间正向导通电压的相对误差应控制在200 mV以内。MAX16809必须与大面积覆铜层之间有良好的导热通道，并通过封装裸焊盘下方的过孔实现散热。该参考板利用底层的地平面为IC散热，如果使用面积更大的多层地平面，散热效果更好。而在静止模式下（PWM信号为低），按照与传统电源类似的方式调整VLED，电压上升至在很短的脉冲内保证工作电压值。因为电源磁场无法在很短的脉冲内快速建立足够的储能，所有能量必须由输出电容提供。静止模式必须保证这些电容能够充电达到足够储能，在电感响应之前维持足够能量。启动静止模式时，输入电流浪涌会高于自适应模式下的电流。这是因为需要对较大的输出电容充电。导通期间的绝大多数时间内，能量由输出电容补充，开关静止、输入电流跌落至零。

齐纳二极管VD10为电路提供过压保护，若1串LED断开，自适应电压控制将尝试提高VLED以满足1.0VDC要求。VD10将最高输出电压限制在38.5VDC。虽然该高压不会损坏电路，但LED驱动器的功耗可能导致MAX16809过热。发生这种情况，器件内部电路将关断驱动器，直到温度下降到适当值，将导致LED闪烁。对于6S3P配置，在连接器J3处安装跳线，使VD6与VD10并联，将箝位电压降至29VDC。通过R5（576 Ω）将每串LED驱动电流设置在30 mA，如果将5路驱动器并联驱动一串LED，其驱动电流可达150 mA。

施密特反相触发器U2配置成振荡器，为MAX16809的SPI输入提供时钟。由于VDIN接高电平，将向内部寄存器输入一串“1”，开启所有LED驱动器。U2还用于对PWM信号反相转换，以满足MAX16809的OE#输入要求。U3（MAX6397TATA过压保护电路）能够在发生抛负载时提供输入保护并为MAX16809的线性驱动器提供3.3VDC供电电源。R15/R16将关断电压设置在18.85VDC。选取VQ3，使在低输入电压下应具备最小导通压降。当满负荷时，测量到的最小工作电压为7.82VDC。REG输出为MAX16809线性驱动器 （V+输入）、U2以及R11上拉电阻提供3.3VDC直流电源。

图2给出VIN=18 V、VIN=36 V时的MOSFET电流和电压波形。图3为 1 μs脉冲和1 ms脉冲时的VLED和输入电流，VLED在静止模式和自适应模式下交替转换。其中，静止模式下，输入浪涌电流为输出电容充电。图4为2 ms脉冲和3.9 ms脉冲时的VLED和输入电流。

使用OSRAM电子负载，得到表1所列的温度测量结果。

上电过程如下：将3串LED（每串8只 LED）连接至连接器J1。如果连接器J3安装跳线，也可以将3串（每串6只）的LED连接到连接器J1；LED串的正端必须与J1的1引脚连接；LED串的负端必须与J1的2～4引脚连接；将没有上电的8～20 V（4 A额定电流）直流电源连接至系统输入，务必确认极性正确；打开电路电源；在J4提供250 Hz脉冲波，脉冲摆幅为0～3.3 V，占空比为0.05%～100%；检流电阻R3两端的大尺寸过孔提供低噪探头，可以连接一个接地线圈和单端示波器探头。

图2 VIN=18 V、VIN=36 V时的MOSFET电流和电压

图3 1 μs脉冲和1 ms脉冲时的VLED和输入电流

图4 2 ms脉冲和3.9 ms脉冲时的VLED和输入电流

表1 温度测量结果