Maxim公司的MAX16813是四路高效高亮LED(HB LED)驱动器,其集成的电流模式开关控制器驱动DC/DC转换器,可驱动多串HB LED.输入电压4.75V-40V, LED电流在20mA到150mA内可调整,200Hz时的PWM调光10000:1,可编程开关频率200kHz到2MHz,主要用在汽车显示LED背光源,汽车RCL,DRL,前位和雾灯,LCD TV和台式显示器LED背光源,建筑,工业和环境照明.本文介绍了MAX16813优势和主要特性,框图和多种应用电路以及MAX16813优势和主要特性,电路图,材料清单和PCB设计图.

The MAX16813 high-efficiency, high-brightness LED (HBLED) driver provides four integrated LED current-sinkchannels. An integrated current-mode switching controller drives a DC-DC converter that provides the necessaryvoltage to multiple strings of HB LEDs. The deviceaccepts a wide 4.75V to 40V input voltage range andwithstands direct automotive load-dump events. Thewide input range allows powering HB LEDs for small- tomedium-sized LCD displays in automotive and generallighting applications.

An internal current-mode switching DC-DC controllersupports boost or SEPIC topologies and operates in anadjustable frequency range between 200kHz and 2MHz.An integrated spread-spectrum mode helps reduce EMI.Current-mode control with programmable slope compensationprovides fast response and simplifies loop compensation.An adaptive output-voltage control scheme minimizespower dissipation in the LED current-sink paths.

The device has a separate p-channel drive (PGATE) pinthat is used for output undervoltage protection. Wheneverthe output falls below the threshold, the external p-MOSFET is latched off, disconnecting the input source.

Cycling the EN or the input supply is required to restartthe converter. The external p-MOSFET is off when the ENpin is below 0.3V (typ). The shutdown current is 1μA (typ)at an input voltage of 12V.

The device consists of four identical linear current-sinkchannels, adjustable from 20mA to 150mA with anaccuracy of ±3% using a single external resistor. Multiplechannels can be connected in parallel to achieve highercurrent per LED string. The device also features a uniquepulsed dimming control through a logic input (DIM),with minimum pulse width as low as 500ns.

Protectionfeatures include output overvoltage, open-LED detectionand protection, programmable shorted LED detection andprotection, output undervoltage protection and detection,and overtemperature protection. The device operatesover the -40℃ to +125℃ automotive temperature range.

The MAX16813 is available in 20-pin (6.5mm x 4.4mm)TSSOP and 20-pin (4mm x 4mm) TQFN packages.

MAX16813优势和主要特性:

● 4-Channel Linear LED Current Sinks with InternalMOSFETs Independently Drive Multiple LED Strings

• Full-Scale LED Current Adjustable from 20mAto 150mA

• Drives 1 to 4 LED Strings

• 10000:1 PWM Dimming at 200Hz

● Flexible Current-Mode Architecture Supports a WideRange of Applications While Minimizing Interference

• Boost or SEPIC Current-Mode DC-DC Controller

• 200kHz to 2MHz Programmable SwitchingFrequency

• External Switching-Frequency Synchronization

• Spread-Spectrum Mode

● Protection Features Enhance Fault Detection andSystem Reliability

• Output-to-Ground Undervoltage Protection

• Open-Drain Fault-Indicator Output

• Open-LED and LED-Short Detection andProtection

• Overtemperature Protection

● Adaptive Output-Voltage Optimization to MinimizePower Dissipation

• Less than 2μA Shutdown Current

MAX16813应用:

● Automotive Displays LED Backlights

● Automotive RCL, DRL, Front Position, and Fog Lights

● LCD TV and Desktop Display LED Backlights

● Architectural, Industrial, and Ambient Lighting

图1.MAX16813简化功能框图

图2.MAX16813典型应用电路图

图3.MAX16813电感耦合降压-升压配置图

图4.MAX16813 SEPIC LED驱动器

评估板MAX16813 EVK

The MAX16813 evaluation kit (EV kit) demonstrates the MAX16813 high-brightness LED (HB LED) driver, integrating a step-up DC-DC preregulator followed by 4 channels of linear current sinks. The step-up preregulator switches at 350kHz and operates as a current-mode-controlled regulator capable of providing up to 600mA for the linear circuits. Each of the 4 linear channels are capable of operating up to 40V and provide up to 150mA per channel. The 4 channels are configurable for 100mA or 150mA HB LED output current.

The EV kit operates from a 6.5V DC supply voltage up to the HB LED string-forward voltage. The EV kit can withstand a 40V load-dump condition for up to 400ms. The EV kit demonstrates the device features such as adaptive voltage optimization, undervoltage lockout (UVLO), overvoltage protection (OVP), cycle-by-cycle current limit, thermal shutdown, and digital PWM dimming operation using a digital PWM input signal to control the brightness of the HB LEDs. The EV kit includes an external pMOSFET (Q2) that can be used to disconnect the boost output from the battery in the event of an output overload or short condition.

评估板MAX16813 EVK主要特性:

● 6.5V Up to HB LED Forward Voltage

● Demonstrates OVP (33V)

● HB LED String Output Currents Configurable for 100mA or 150mA

● Demonstrates UVLO (4V)

● Demonstrates Cycle-by-Cycle Current-Limit and Thermal-Shutdown Features

● Demonstrates Adaptive-Voltage Optimization

● Demonstrates Output Short Protection and Ultra-Low Current Shutdown

● Proven PCB and Thermal Design

● Fully Assembled and Tested

图5.评估板MAX16813 EVK电路图

评估板MAX16813 EVK材料清单:

图6.评估板MAX16813 EVK PCB元件顶层布局和走线图

图7.评估板MAX16813 EVK PCB布局图:SGND层2

图8.评估板MAX16813 EVK PCB布局图:左:PGND层3;右:VCC和PGND焊接层

Maxim

MAXIM是美信公司(Maxim Integrated Products)的英文缩写，全球最好的模拟信号和混合信号半导体公司。同时MAXIM也是一款时尚潮流杂志的名字，maxim内容涵盖了音乐、体育、电视、电影、潮流名人等。也是比较温和的男性杂志，以更多的消遣内容为主。

2001年，Maxim并购了著名的Dallas Semiconductor。是全球最好的模拟信号和混合信号半导体公司.

它们的使命是不断创造高品质的模拟工程解决方案，在世界范围内为基于微处理器的电子产品客户提供增值服务。它们通过努力达到它们的成本与业绩Maxim Integrated Products成立于1983年，总部位于美国加利福尼亚的Sunnyvale，公司拥有9300多名员工，是世界范围内模拟和混合信号集成产品的设计、开发与生产领域的领导者之一。通过对温度、压力、声音等现实世界的各种信号进行检测、放大，并将其转换成计算机处理所需要的数字信号, Maxim的电路把现实世界与数字世界“连接”在一起。

目标、缩短新品上市时间并不断提高它们的生产能力，坚持不懈地为它们的客户和公司股权持有者提供最好的服务。

任何电子产品的核心都是一个数字核，它与人类、真实的物理世界、供电电源及其它数字系统相关联。Maxim是全球模拟、混合信号、高频及数字电路设计、研发、制造的领导者，所提供的产品能够实现上述数字内核与周边系统的连接。它们在世界范围内拥有大约35,000个大型客户。

它们的半导体产品是连接数字处理器与物理世界的桥梁。

【相关信息】HB-LED驱动方法

1 　LED 特性和驱动要求

虽然大功率LED 现在还不能大规模取代传统的荧光灯,但它们在室内外装饰、特种照明方面有着越来越广泛的应用,因此掌握大功率LED 恒流驱动器的设计技术,对于开拓大功率LED 的新应用至关重要。LED 按照功率和发光亮度可以划分为大功率LED、高亮度LED 及普通LED。一般来说, 大功率LED 的功率至少在1W 以上,目前比较常见的功率有1W、3W、5W、8W 和10W。已大批量应用的有1W 和3WLED ,而5W、8W 和10W LED 的应用相对较少。

因此电子和照明行业都非常关注LED 照明新技术的发展应用。

大功率WLED 的IF = 200～1 000mA ,如高亮功率WLED, 1W 规格的IF = 350mA , 3W 规格的IF =700mA。

与荧光灯用的电子镇流器不同,LED 驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源,并同时完成与LED 的电压和电流的匹配。

所以,LED 伏安特性的数字模型可用式(1) 表示:

式中,Vturn - on ———LED 的启动电压;Rs ———伏安曲线的斜率;T ———环境温度;ΔVFPΔT ———LED 正向电压的温度系数,对于多数LED 而言典型值为- 2mVP℃。

图1 是Cree XR - E LED V2I 特性曲线。从LED的伏安曲线及数字模型看,LED 在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED 电流的很大变化,并且,环境温度、LED 老化时间等因素也将影响LED 的电气性能。而LED 的光输出直接与LED 电流相关,为了维持恒定的光输出,要求LED 驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED 电流的大小。否则,LED 的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化,并且,若LED 电流失控,LED 长期工作在大电流下将影响LED 的可靠性和寿命,并可能失效。

图1 　Cree XR2E LED V2I 特性曲线

下面详细叙述简单的ONPOFF 驱动、LDO 驱动、高频分立器件驱动和IC 驱动的副边反馈控制策略。

2 　低压LED 驱动方法

2.1 　线性LED 驱动方法

2.1.1 　简单的限流电阻LED 驱动方法

利用三极管来驱动LED ,当输入信号为逻辑高电平时,晶体管VT 导通,LED 点亮(如图2 所示) 。

IF 被电源电压和电阻限定,且Rlim应满足:

式中,VF 是LED 在额定电流下的正向电压;Vces是VT的饱和压降。

图2 　简单的限流电阻LED 驱动电路

2.1.2 　LDO LED 驱动方法

如图3 所示,用LM317 作恒流输出应用,LM317在输出端和Adj 端维持1125V 的参考电压(Vref) 。按照图3 的连接,输出电流近似为:

但是由于LDO 输入输出的压降大的场合,加上驱动大电流的LED 时,其效率很低,LM317 自身发热也是一个问题。

图3 　LDO LED 驱动电路

2.2 　分立器件的高频LED 驱动方法

2.2.1 　降压型LED 驱动方法如图4 所示,该电路的工作原理是: 当加上Vin后,TR3 先导通,它给PNP 型TR1 提供了基极电流,于是TR1 导通,此时D1 反偏,电流开始流过电感L1和LED ,并且会线性上升。

图4 　降压型LED 驱动电路

当TR1 的集电极电流增加,VR1也增加,当该压降达到TR2 的基射极导通电压Vbe (on) = 0165V 时,TR2 导通而上拉TR1 的基极电压至输入电压,于是TR1 关断。

当TR1 关断后,其射极电流几乎立即减到0 ,但是因为电感的续流作用,会使D1 开始导通。此时,电感L1两端电压反偏,TR1 关断,而在D1 续流过程中其阴极电压被钳位至D1 的- VF ,于是TR3 也保持关断。直至L1的能量全部放出,D1 续流完毕,TR3 才开始导通,整个开关振荡过程重复。

电感电流波形如图5 所示,变换器工作在电感电流临界模式(BCM) 下,因此,输出端LED 的电流为:

图5 　降压型LED 驱动电感电流波形

若Fmax = 100kHz , Imax = 016A ,Vin(max) = 18V ,Vo =312V ,则有:

因此,可以选择L 为47μH、村田的LQH55D。其他关键器件可选用:TR1 为PBSS5220T;TR2 和TR3 选为双二极管器件BC847BPN;D1 为20VP1A 的SBD ,如PMEG2010EJ ; R1 为112ΩP1W; R2 为10kΩ; R3 为510Ω。

2.2.2 　升压型LED 驱动方法

升压型LED 驱动电路如图6 所示,工作波形如图7 中左图所示。该电路的工作原理是:当电池电压稍高于Q2 的Vb 电压时,循环开始,在Q2 的基极产生的电流是:

图6 　升压型LED 驱动电路

式中:Vs 是电源输入端的电压,Vb 是Q2 的基射结电压。之后Q2 导通,电感L1 达到地电位,Q1 截止。L1内存储的磁能随L1 电流以d iPd t 的斜率上升而增加。当Q2 集电极电压足够高后,Q1 导通。Q1 的基极电压通过R1 和C1 正反馈网络施加在Q2 的集电极上。R1 也起到限制Q1 基极电流的作用。

Q1 导通后,Q2 基极分流到地,Q2 截止。L1 把磁能释放给LED ,L1 的快速恢复使LED 加上正向电压而发光。由于L1 放电,Q1 又回到截止状态。在电池电压降到Q2 的Vbe之前,自激振荡一直持续。

L1、Q1、Q2 的性能决定循环周期以及振荡脉冲的占空比。LED 的亮度直接取决于流过LED 的平均电流。Q2 截止时LED 导通,反之LED 截止。

图7 　升压型LED 驱动波形( 左) 以及三极管2N3904 的输出特性( 右)