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PCB Space-Constraint Woes Eliminated by 2 MHz, Monolithic, Buck-Boost DC-to-DC Converter and LED Driver 作者：ADI公司 Kyle Lawrence 簡(jiǎn)介 隨著電子設(shè)備尺寸不斷縮小，它們的內(nèi)部電路必須同步縮小。產(chǎn)品小型化成為各行各業(yè)的顯著發(fā)展趨勢(shì)，這為工程師在空間受限的設(shè)計(jì)中完成合適的解決方案帶來了新的設(shè)計(jì)難題。 為了滿足緊湊型電子設(shè)備日益嚴(yán)格的尺寸要求，集成電路(IC)設(shè)計(jì)人員將外部元件集成到器件內(nèi)部，以最大程度地減少外部元件數(shù)量。在構(gòu)建所有電子設(shè)備所需的各種電路中，縮小DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸同樣極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈儫o處不在（所有設(shè)備都需要電源），電源設(shè)計(jì)人員通常會(huì)面臨這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)，即縮小解決方案尺寸往往會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。 例如，能顯著節(jié)省PCB面積的一種方法是采用單芯片DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過精心選擇的電源開關(guān)器件集成到IC封裝之中，從而使所需外部元件減少為少量的無源器件。在許多情況下，與外部電源開關(guān)控制器設(shè)計(jì)相比，緊湊型設(shè)計(jì)最終會(huì)帶來不需要的結(jié)果，即在更小的空間中增加了功率損耗，從而產(chǎn)生更高的溫升。為了避免產(chǎn)生的熱量水平造成困擾，選擇合適的單片式DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)于設(shè)計(jì)緊湊高效的電源系統(tǒng)至關(guān)重要。 2 MHz單芯片4開關(guān)降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動(dòng)器 LT3942是ADI公司非常通用的單芯片降壓-升壓穩(wěn)壓器IC之一。該升壓-降壓轉(zhuǎn)換器能夠應(yīng)對(duì)在創(chuàng)建靈活緊湊的DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案的同時(shí)不會(huì)犧牲性能的挑戰(zhàn)。LT3942將四個(gè)40 V/2 A電源開關(guān)、兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器自舉二極管及其所有的控制和驅(qū)動(dòng)器電路集成到一個(gè)4 mm × 5 mm小型QFN封裝中。由于具有高達(dá)2 MHz工作開關(guān)頻率能力，因此可以最大程度地減小外部元件的尺寸，節(jié)省PCB空間，同時(shí)為各種DC-DC轉(zhuǎn)換器提供了高帶寬工作性能。 
圖1.這款基于LT3942的演示電路(DC2404A)展示了一種高性能、緊湊型DC-DC穩(wěn)壓器解決方案，專門用來在這種情況下驅(qū)動(dòng)LED。 LT3942具有與LT8390A/LT8391A系列降壓-升壓控制器IC相同的峰值電流模式控制方案，并且能夠在2開關(guān)升壓、4開關(guān)降壓-升壓（升壓-降壓）和2開關(guān)降壓工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器監(jiān)測(cè)并比較其輸入和輸出電壓，以確定正確的工作模式。當(dāng)PVIN  VOUT的比率發(fā)生變化并迫使轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換模式時(shí)，LT3942保持穩(wěn)壓作用，同時(shí)可以在開關(guān)對(duì)之間智能切換控制。除了通過多種PVIN VOUT組合來調(diào)節(jié)輸出電壓之外，LT3942還可以配置為調(diào)節(jié)輸入或輸出電流，以用于恒定電流調(diào)節(jié)應(yīng)用。來自ISMON引腳的電流監(jiān)控反饋提供了一個(gè)與實(shí)測(cè)電流成比例的緩沖電壓輸出，從而允許連接的電路監(jiān)控實(shí)測(cè)的電流水平。這種調(diào)節(jié)電流或電壓的能力使LT3942非常適合用作LED驅(qū)動(dòng)器、緊湊型電池充電器、微型太陽能電池板供電的轉(zhuǎn)換器或通用穩(wěn)壓器。14 V、1 A LED驅(qū)動(dòng)器 圖1顯示了基于LT3942的緊湊型LED驅(qū)動(dòng)器的完整評(píng)估電路。該解決方案能夠?yàn)樗膫�(gè)（最高14 V）串聯(lián)的一串白光LED提供1 A電流。最大功率輸出的輸入電壓范圍為7 V至36 V，低工作電流時(shí)可降至4 V，非常適合未穩(wěn)壓的汽車輸入電源。該解決方案中的LT3942的工作開關(guān)頻率為2 MHz，因此可以使用相對(duì)較小的電感和電容。所以完整的LED驅(qū)動(dòng)器解決方案適合15 mm × 15mm 的PCB尺寸，所有元件都位于電路板的同一面（包括IC）。 該解決方案還具有高帶寬工作性能，可以快速調(diào)節(jié)輸出電流。當(dāng)在降壓模式下工作時(shí)，LT3942使用外部PWM源對(duì)LED進(jìn)行100 Hz無閃爍調(diào)光，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá)5000:1的調(diào)光比。 如果沒有外部PWM源，也可以使用其內(nèi)部PWM調(diào)光功能實(shí)現(xiàn)LT3942調(diào)光。內(nèi)部調(diào)光提供高達(dá)128:1的調(diào)光功能，無需任何外部PWM信號(hào)源，僅需一個(gè)電阻即可設(shè)置調(diào)光頻率，以及一個(gè)直流電壓來控制輸出電流的占空比。與大多數(shù)Power by Linear™的LED驅(qū)動(dòng)器一樣，LT3942還具有模擬調(diào)光功能，通過在CTRL引腳上施加直流電壓可提供高達(dá)20:1的模擬調(diào)光。可以將模擬和PWM調(diào)光組合使用，以實(shí)現(xiàn)比單獨(dú)使用任何一種方法更高的有效調(diào)光比。
圖2.DC2404A利用LT3942創(chuàng)建了一個(gè)緊湊型14 W LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，可在寬輸入范圍提供穩(wěn)定的輸出電流。
圖3.LT3942的高帶寬工作性能有助于LED照明應(yīng)用在寬動(dòng)態(tài)亮度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高比率PWM調(diào)光。無需EMI濾波器，DC2404A在120 Hz時(shí)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)4000:1的調(diào)光，而在100 Hz時(shí)則可實(shí)現(xiàn)高達(dá)5000:1的調(diào)光。 展頻用于降低EMI峰值 為了幫助創(chuàng)建一個(gè)低噪聲DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，LT3942內(nèi)置一個(gè)可選展頻(SSFM)功能。SSFM一旦啟用，會(huì)在由RT電阻設(shè)置的值至高達(dá)25%的額外開關(guān)頻率之間掃描開關(guān)頻率。該掃描動(dòng)作可以在寬頻譜范圍內(nèi)分散由開關(guān)引起的輻射，而不是將這些輻射集中在窄帶中，從而降低整體的EMI峰值。SSFM與輸入和輸出EMI濾波器結(jié)合使用時(shí)，有助于降低寬頻率范圍內(nèi)的EMI，從而更易于設(shè)計(jì)符合輻射標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。 12 V、1 A穩(wěn)壓器 LT3942不只限于驅(qū)動(dòng)LED。它是一款功能強(qiáng)大的緊湊型穩(wěn)壓器，非常適合解決從寬范圍未穩(wěn)壓電源產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的問題。圖4中所示的12 V、1 A穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)與圖2中的14 W LED驅(qū)動(dòng)器解決方案相似，但做了一些小改動(dòng)。與LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用一樣，穩(wěn)壓器可以在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)維持輸出調(diào)節(jié)，可在電壓低至7 V的條件下提供全輸出功率，并在電壓低至4 V的條件下維持低輸出功率工作。 圖4中的效率曲線表明，即使工作開關(guān)頻率為2 MHz時(shí)，LT3942 12 V穩(wěn)壓器也具有接近95%的出色峰值效率，而在其大多數(shù)輸入電壓范圍內(nèi)的效率為85%或更高。即使以其總輸出功率的十分之一為其輸出供電，也可保持80%以上的效率，這表明該器件在輕負(fù)載條件下仍可高效運(yùn)行。 LT3942的電流檢測(cè)和控制特性使其不僅適合于LED調(diào)光控制，而且也能在需要電壓調(diào)節(jié)和電流控制的其他情況下出色地工作。將檢測(cè)電阻配置在輸出端時(shí)，可以很輕松地將LT3942配置用作緊湊型恒流、恒壓電池充電器。對(duì)于具有嚴(yán)格輸入電流限制的應(yīng)用，例如由小型電池、電容組或光伏電池供電的電路，可以將監(jiān)測(cè)電阻移至穩(wěn)壓器的輸入側(cè)，從而為系統(tǒng)提供輸入電流限制和監(jiān)控。LT3942可從CC模式無縫轉(zhuǎn)換為CV模式（反之亦然），確保輸入和/或輸出始終穩(wěn)定。
圖4.配置為12 W穩(wěn)壓器的LT3942在寬輸入范圍內(nèi)具有出色的電壓調(diào)節(jié)和負(fù)載效率特性。 汽車順序點(diǎn)亮轉(zhuǎn)向信號(hào)和裝飾性照明 在新型豪車和高性能汽車上常見的動(dòng)畫式順序點(diǎn)亮轉(zhuǎn)向信號(hào)燈正在迅速普及，逐步取代傳統(tǒng)的閃爍式指示燈。早期的順序點(diǎn)亮轉(zhuǎn)向信號(hào)的實(shí)現(xiàn)采用多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器或線性穩(wěn)壓器為轉(zhuǎn)向信號(hào)燈組中的LED供電，導(dǎo)致解決方案復(fù)雜、相對(duì)低效且過于龐大，極大地限制了照明設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域。減少所需功率IC的數(shù)量，使用單個(gè)高效器件，是擴(kuò)大照明設(shè)計(jì)人員選擇范圍的明顯方式。 單個(gè)轉(zhuǎn)換器解決方案需要的器件能夠?qū)Ω鞣NLED組合（照明設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)從所有LED點(diǎn)亮到單個(gè)LED點(diǎn)亮，以及介于前兩者之間的各種其他組合）的串電壓維持輸出調(diào)節(jié)。隨著動(dòng)畫燈在連接的LED的各種配置中變化時(shí)，輸入電壓會(huì)高于、低于或等于輸出電壓。這種類型的應(yīng)用需要一個(gè)升壓-降壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以智能地選擇工作模式并在工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換，同時(shí)維持輸出調(diào)節(jié)。LT3942的降壓-升壓拓?fù)浜透邘捁ぷ餍阅苁顾軌蜉p松操縱這些變化而不會(huì)出現(xiàn)毛刺。 圖5所示的順序點(diǎn)亮轉(zhuǎn)向信號(hào)設(shè)計(jì)采用LT3942從汽車電池以330 mA電流為八個(gè)LED供電，并可選擇為一串琥珀色LED（用于轉(zhuǎn)向信號(hào)燈操作）、一串白色LED（用于日間行車燈）或其他裝飾性照明（用于前燈/尾燈設(shè)計(jì)中）供電。
圖5.在順序點(diǎn)亮轉(zhuǎn)向信號(hào)應(yīng)用中，每次點(diǎn)亮一個(gè)LED，從而迫使DC-DC轉(zhuǎn)換器迅速適應(yīng)新的PVIN：PVOUT組合。這對(duì)LT3942來說不是問題，因?yàn)樗稍陧樞螯c(diǎn)亮轉(zhuǎn)向模式期間從升壓、降壓-升壓、降壓工作模式無縫轉(zhuǎn)換，從而確保在各種模式下維持穩(wěn)定的LED電流。 微控制器充當(dāng)用戶輸入的轉(zhuǎn)向信號(hào)與照明系統(tǒng)之間的接口。這使照明設(shè)計(jì)人員（或最終用戶，如果需要的話）能夠完全控制執(zhí)行LED動(dòng)畫順序點(diǎn)亮所需的所有時(shí)序和信號(hào)，并且可以控制在任何給定時(shí)間為哪種顏色的LED燈串供電。 在此設(shè)計(jì)中，在順序點(diǎn)亮模式期間，每次向燈串導(dǎo)入一個(gè)轉(zhuǎn)向信號(hào)LED，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)向信號(hào)。當(dāng)LED由微控制器添加到燈串時(shí)，LT3942維持對(duì)輸出電流的調(diào)節(jié)，以保持一致的光亮度。在所有LED都點(diǎn)亮之后，LT3942停止開關(guān)操作，并拉低輸出電壓，使轉(zhuǎn)換器設(shè)置為下一個(gè)順序點(diǎn)亮周期做好準(zhǔn)備。當(dāng)轉(zhuǎn)向信號(hào)未使用時(shí)，微控制器重新連至裝飾照明LED串，并繼續(xù)等待轉(zhuǎn)向信號(hào)用戶輸入，這將兩種照明功能組合到一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器解決方案中。 小結(jié) 電子設(shè)備迫使工程師不斷尋求更小的集成器件，以滿足日益增長(zhǎng)的空間受限需求。LT3942單芯片降壓-升壓轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動(dòng)器集成了眾多可節(jié)省空間的特性，以解決空間受限的電氣設(shè)計(jì)難題，同時(shí)不會(huì)犧牲性能。其單芯片設(shè)計(jì)和2 MHz的工作開關(guān)頻率縮小了解決方案的尺寸，使其能夠適用于緊湊的PCB設(shè)計(jì)中。該器件具有高度靈活性，既可以用作恒流調(diào)節(jié)器，也可以用作恒壓調(diào)節(jié)器，適合各式各樣的應(yīng)用。 對(duì)于需要低噪聲電源以滿足嚴(yán)格EMI要求的設(shè)計(jì)，LT3942的SSFM功能有助于降低傳導(dǎo)發(fā)射和電磁輻射騷擾，其便捷的IC封裝引腳排列可實(shí)現(xiàn)緊湊的開關(guān)熱環(huán)路。這些特性以及寬輸入范圍，可在設(shè)計(jì)人員面臨緊湊型電源需求時(shí)，簡(jiǎn)化他們的工作。 作者簡(jiǎn)介 Kyle Lawrence是ADI公司的應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和測(cè)試各種DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括針對(duì)低EMI汽車應(yīng)用的4開關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器和LED驅(qū)動(dòng)器。他2014年畢業(yè)于加州大學(xué)圣克魯茲分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：kyle.lawrence@analog.com。 |
