개요: 6A 스텝 다운 LED 드라이버를 위한 이 기준 설계는 MAX16821 소자를 기반으로 한다. 이 회로는 단일 LED를 구동하며, 이 설계에는 회로 규격, 회로도, 회로 설명 및 성능이 포함된다.
머리말
이 설계는 휴대용 프로젝터를 위한 6A 스텝 다운 LED 드라이버를 위한 기준 설계이다. 이 기준 설계는 MAX16821, PWM HB LED 드라이버를 기준으로 구현된다. 회로는 단일 LED를 구동하므로 RGB LED를 구동하려면 3개의 MAX16821 소자가 필요하다.
PWM 입력(J7): PWM 입력 디밍. PWM 신호를 3V ~ 5V 진폭에 연결한다. PWM 입력이 Q1 및 Q7을 구동할 수 있도록 소스는 300pF 부하에서 500ns 미만의 상승/하강 시간을 제공해야 한다. 출력은 1µs 이내에서 상승/하강할 수 있기 때문에 1µs보다 3 ~ 4배 높은 모든 PWM 시간을 사용할 수 있다.
LED 전류 제어(J6): LED 전류 조정 입력. 1.1V ~ 2.8V를 인가하여 1.5A ~ 5A 사이에서 LED 전류를 조정한다.
출력
LED+(J9, J10): LED의 양극 (anode) 연결
LED-(J11, J12): LED의 음극 (cathode) 연결
인덕터 전류 출력(J5): LED 전류에 비례하는 신호를 제공한다. OUTV의 전압은 R9를 통과하는 전압의 135배가 된다.
자세한 이미지 보기 (PDF, 2.23MB) 그림 1. MAX16821이 내장된 LED 드라이버 보드
이 LED 드라이버는 10V ~ 15V 입력 전원 전압을 스텝 다운하여 4.5V ~ 6V 순방향 전압으로 LED에 정전류를 공급한다. MAX16821 PWM HB LED 드라이버는 스텝 다운 컨버터를 구현하는 데 사용된다. 평균 인덕터 전류는 LED 전류와 같기 때문에 평균 인덕터 전류를 제어하여 LED에 정전류를 공급할 수 있다. 스위칭 주파수는 R6(200kΩ)에 의해 300kHz로 설정된다.
회로에는 2개의 제어 루프가 존재한다. 내부 전류 루프는 외부 전압 루프의 출력을 기준으로 인덕터 전류를 제어하며, 외부 전압 루프는 내부 전류 루프를 프로그래밍하여 LED 전류를 제어한다. 외부 전압 루프는 OUTV 핀과 U1의 출력을 모니터링하여 EAOUT 신호를 발생시킨다. 이 EAOUT 신호는 내부 전류 루프 및 인덕터 전류를 제어한다.
아날로그 LED 전류 제어
Op 앰프 U1은 1.1V ~ 2.8V의 아날로그 입력으로부터 MAX16821의 SENSE+ 입력을 구동하여 1.5A ~ 6A 사이에서 LED 전류를 조정한다. LED에 6A가 공급되면 기준전압과 U1에 연결된 저항 분배기가 U1의 출력에서 (최악의 경우 VOL보다 높은) 약 20mV를 생성한다. 아날로그 제어 입력에서 2.8V 전압이 이 출력 전압을 생성한다. LED 전류가 6A에 도달하면 R1 및 R22로 구성된 저항 분배기가 OUTV에서의 전류 감지 신호의 일부를 U1의 출력에 더한다. R1 및 R22는 SENSE+ 입력에서 100mV 외부 루프 기준과 동일한 전압을 생성한다. OUTV 신호는 135V/V의 증폭으로 R9 및 R18을 통과하는 전류 감지 신호를 증폭시킨 것이다. 아날로그 제어 입력에서 전압은 2.8V에서 감소하기 때문에 U1의 출력은 20mV로부터 선형적으로 증가한다. U1의 출력에서 더 높은 전압은 SENSE+ 입력을 취하여 더 낮은 LED 전류에서 100mV로 된다. 아날로그 제어 입력이 약 1.1V로 감소하면 U1의 출력은 80mV로 증가하고 LED 전류는 1.5A로 감소한다.
PWM 디밍
PWM 오프 시간 동안 LED 출력을 통과하여 연결된 MOSFET Q9가 켜지며, 따라서 LED 회로가 단락된다. LED 전류는 Q1의 턴 온 시간(이 설계에서는 1µs보다 훨씬 적은 시간)에 따라 제로로 감소한다. 인덕터 전류는 전체 PWM 오프 시간 동안 유지된다. PWM 온 시간이 시작되면 Q1이 꺼지고 인덕터 전류가 출력 커패시터를 충전한다. 출력 전압이 LED의 컷 인 (cut-in) 전압에 도달하면 LED 전류가 상승하기 시작한다. LED 전류가 0A로부터 전체 값까지 상승하는 데 필요한 시간은 인덕터 전류, 출력 커패시터의 값, 컷 인 전압에서부터 최대 구동 전류까지 LED 순방향 전압의 변화 등 몇 가지 요소에 의해 결정된다. 이 기준 설계는 LED 전류가 6A로 설정되는 경우에만 1µs 미만의 LED 턴 온 시간 규격을 만족한다. 인덕턴스 값을 증가시키고 출력 커패시턴스를 감소시키면 더 낮은 전류에서 빠른 LED 턴 온을 달성할 수 있다.
피드백 보상
저항 R2 및 R23은 저조파 발진을 보상하기 위해 고주파 전류 루프 이득을 제한한다. 저주파수에서 충분한 이득을 보장하고 낮은 오차로 인덕터 전류의 안정화를 제공하려면 제로를 전류 루프 전달 함수에서 크로스오버 주파수보다 훨씬 아래에 위치시켜야 한다. 이 제로는 C1 및 C19를 사용하여 추가한다. Q1 및 Q2는 PWM 오프 및 PWM 온 시간 동안 보상을 위해 교류 RC 네트워크를 연결한다. 이 설계는 C1 및 C19에서 충전을 유지하므로 PWM 응답이 훨씬 빠르다.
인덕터 전류는 직접 측정되기 때문에 드라이버 회로의 전달 함수에는 출력 극이 없다. 따라서 외부 전압 루프는 고려되는 주파수 범위 내에서 단일 폴을 제공하는 전압 오차 증폭기를 갖는 단일 극 시스템으로 구현된다. C21 및 C22는 외부 루프 크로스오버 주파수를 전류 루프 크로스오버 주파수의 1/10로 감소시키므로 2개의 피드백 루프 간의 모든 상호작용을 방지한다. Q7 및 Q10은 보상 커패시터 전하를 보유하며, PWM 펄스가 상태를 변경하면 전압 오차 증폭기 출력이 즉시 필요한 값으로 전환할 수 있게 한다. 저항 R24 및 R25는 Q7 및 Q10이 상태를 변경할 때 전하 주입으로 인한 C21 및 C22의 충/방전을 방지하는 데 사용된다.
LED 전류 상승/하강 시간
이 설계에서 LED 전류는 6A LED 전류에서 PWM 동안 1µs 이내에 상승/하강해야 한다. 이러한 성능은 LED 전류를 위한 최대 리플 규격을 만족하는 소형 출력 필터 커패시터 및 높은 값의 인덕터를 사용하여 구현된다. PWM 오프 동안 Q9가 켜지고 프로그래밍된 인덕터 전류가 부분적으로 순환된다. LED 전류가 6A로 설정되면 인덕터 전류는 MAX16821에 의해 6A에서 레귤레이트된다. 출력이 다시 켜지면 인덕터 전류는 출력 커패시터 C8을 충전한다. C8의 충전 레이트는 LED 전류 상승 시간을 결정한다. C8의 값은 이를 기준으로 계산된다. LED 전류의 하강 시간은 Q9가 훨씬 빠르게 C8을 방전하므로 1µs보다 훨씬 적다.
회로 파형
그림 3. 기준 설계를 위한 테스트 데이터는 LED 전압(CH1), LED 전류(CH2), OUTV 전압(CH3)을 보여준다.
그림 4. 테스트 데이터는 LED 전압(CH1), LED 전류(CH2), CLP 전압(CH3)을 보여준다.
그림 5. LED 전압 (CH1) 및 LED 전류 (CH2) 상승 시간에 대한 데이터
그림 6. LED 전압 (CH1) 및 LED 전류 (CH2) 하강 시간에 대한 테스트 데이터
테스트 파라미터
온도 측정
VIN: 10V
IOUT: 6A
TA: 25°C
보드 온도: +50°C
Q3, Q4, Q9 케이스: +52°C
U1 상단: +47.5°C
L1 코어 온도: +75°C (L1은 5.8A, 주변 온도에서 40°C 상승으로 정격 지정)
파워 업 절차
0 ~ 20V, 5A 전원(PS1)을 VIN+ 및 GND에 연결한다.
0 ~ 5V 전원(PS2)을 J6(V_CONTROL)에 연결한다.
인덕턴스를 줄일 수 있도록 가능한 가장 짧은 리드를 사용하여 정격 6A 이상의 LED를 LED+ 및 LED-에 연결한다. 리드를 길게 해야 하는 경우, 트위스트 페어 와이어를 사용할 수 있다.
J5 및 J8을 개방 상태로 유지한다.
PS2를 켜고 1.1V를 인가한다.
PS1을 서서히 10V로 증가시킨다. LED가 1.5A 연속 전류로 켜진다.
3V ~ 5V 진폭을 갖는 30% 듀티 사이클 펄스를 PWM에 연결한다. LED 전류가 PWM 신호로 켜지고 꺼진다.
PS2를 1.1V에서부터 2.8V로 증가시킨다. LED 전류가 PWM 온 동안 1.5A에서 6A로 상승한다.
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