MOSFET在单通道降压转换器驱动投影仪的RGB LED客户中的应用
本应用笔记提供了一个低功耗投影仪rgb led驱动器的参考设计。基于单芯片max16821构建大电流led驱动器，能够为一组降压驱动的rgb led提供高达10a的电流，通/断时间小于1us。某一时刻只驱动一个彩色led，rgb按比例共用pwm周期。
led驱动器技术指标
●输入电源电压：10v至15v
●led驱动电流：10a
●led正向偏压：4.5v至6v
●led电流上升/下降时间：< 1us
●led电流纹波：10%峰峰值，最大值
输入
●vin （j4）：电源输入
●pwmr、pwmb、pwmg （j8的引脚1、3和4）：rgb pwm输入信号，幅值应为3.3v至5v。当输出的上升/下降时间保持在1?s以内时，任何超出2?s的pwm周期均可使用。某一时刻只有上述三个信号之一为高电平。
●pwmn （j8的引脚4）：pwmr、pwmg和pwmb进行逻辑nor。只有所有三个pwm信号均为低电平时，pwmn为高电平。
●on/off （j1）：保持开路或驱动至+5v使能驱动器，连接至gnd禁用电路板工作。
输出
●ledr、ledg、ledb （j5、j6和j7）：10a rgb led输出。将led+连接至引脚3、4和5；将led-连接至引脚6、7和8。
●outv （j2）：提供与led电流成比例的信号，outv上的电压为r12||r16电压的135倍。
●vin_out （j3）：输入电源电压，用于连接至其它电路板。引脚1和2为vin+；引脚3和4为gnd。
图1. led驱动电路板（顶层）
图2. led驱动电路板（底层）
图3. 由max16821构成的led驱动器原理图。
电路说明
低功耗投影仪采用单芯片dlp处理rgb颜色。任何给定时间内只点亮一种颜色的dlp。这种方法能够采用一路大电流驱动器，配合几个附加开关实现led之间的切换，从而构成紧凑、经济的投影仪设计。
本文提供的led驱动器参考设计采用单个降压转换器依次为rgb led提供10a电流驱动。mosfets q8、q9和q10选择并切换稳定的电感电流，基于pwm信号为其中一个rgb led提供驱动。
max16821b buck转换器的核心电路工作在平均电流控制模式，将10v至15v输入电源电压降至4.5v至6v led正向偏压。buck转换器的工作频率通过外部接地电阻设置。mode引脚连接至gnd，选择ic工作buck驱动器模式。转换器开关工作频率为300khz，该设置使得器件优化工作在以较小尺寸电感提供非常高的效率。
设计要求led电流上升/下降时间小于1?s，为达到这一指标，必须选择非常小的输出滤波电容，从而增大了负载纹波电流。另外，如果选择大于常规值的电感，电感纹波电流将保持在负载纹波电流以内。输出端通过1?f电容（c11）将输出电流摆率限制在10a/?s，防止寄生元件造成任何过冲。
led驱动器通过电感控制并维持10a电流，按照任意瞬间需要驱动的led，分别导通q8、q9或q10，将电感电流切换到对应的led。全部三个led关闭时，电感电流通过q4构成本地回路。
max16821器件有两个控制环路：内部环路控制电感电流，外部环路确定驱动led所需的电感电流。在降压转换器中，电感电流与led电流相同。因此，控制电路被简化为单个电感电流监测环路。本设计中，为防止电感电流的次级谐波振荡，r5将电流误差放大器增益限制在11.5v/v。电流环路补偿没有零-极点对，从而增大了低频增益，使电感电流准确稳定在电压环路的设置值。电压误差放大器将r11||r17两端的led检流电压与内部100mv基准进行比较，并提供70db误差增益。经过放大后的输出驱动内部电流环路。即使内部电流环路增益较低，由于电压误差放大器的高增益也能够使led电流稳定在10a。
电感电流在rgb led和q4形成的本地环路之间切换，电压误差放大器输出需要4级不同电平。因为这4种条件下的输出电压不同，所以需要4个电平。4个不同的补偿电容（c7、c10、c13和c14）用于存储电压误差放大器输出，分别对应4种不同的负载条件。补偿电容通过模拟开关（q2、q5、q6和q7）连接到电路，每次接通一路。一旦打开led，对应的补偿电容即刻将误差放大器输出调节至上次存储电压，从而使led电流很快上升至10a。
内部电流环路吸收电感形成的极点，由led动态阻抗和输出电容c11构成的输出极点，所产生的极点频率远远高于开关频率。电压环路只有一个极性，为电压误差放大器的极点。补偿电容（c7、c10、c13和c14）在原点构成一个极点，使电压环路在1/10频程通过0db。
max15025双通道mosfet驱动器（u2、u3）驱动（q2、q5、q6和q7），在led负载之间快速切换，电流摆率高达10a/1?s。由c9和r10构成的降损电路减缓了lx节点的开关边沿，有助于抑制任何过冲/欠冲振铃。如果输出电压超过*v，由r3和r4提供的过压保护反馈将关断u1。一旦输出电压降至5.4v以下，u1恢复开关操作。滤波电容c1防止由于噪声引起的错误触发。rc网络提供从电源导通沿开始的3ms延迟，使u1在输入电源稳定后开始工作。
电路波形
图4. 示波器截图显示了其中一个led （ch3）的电流
outv引脚（ch1）电压代表电感电流的大小；clp引脚（ch2）上的电压代表pwm占空比。电感电流在整个周期内相同。蓝光、绿光led的pwm占空比几乎相同，但红光led较小。在1?s内 led电流上升并稳定至最终值。
温度测量：
●vin：12v
●iout：10a至rgb led，每种颜色为20% pwm
●制冷：电路板被强制风冷
●电路板温度：+53°c
●q1、q3外壳：+60°c
●q4、q8、q9和q10外壳：+58°c
●u1顶部：+53°c
●l1线圈温度：+70°c
上电步骤
●将10a rgb led连接至j5、j6和j7。
●保持pwmr、pwmg、pwmb和pwmn信号为低电平。
●将电源电压逐渐增高至10v，观察电流，电流应小于0.3a。
●施加pwm信号pwmr、pwmg和pwmb，pwm占空比为15%至20% （定位每个pwm脉冲，同时应只有一个pwm信号为高电平）。pwmn信号应为pwmr、pwmg和pwmb的数字或非。全部三个led按照设定的占空比由10a电流交替驱动。
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led驱动器技术指标
●输入电源电压：10v至15v
●led驱动电流：10a
●led正向偏压：4.5v至6v
●led电流上升/下降时间：< 1us
●led电流纹波：10%峰峰值，最大值
输入
●vin （j4）：电源输入
●pwmr、pwmb、pwmg （j8的引脚1、3和4）：rgb pwm输入信号，幅值应为3.3v至5v。当输出的上升/下降时间保持在1?s以内时，任何超出2?s的pwm周期均可使用。某一时刻只有上述三个信号之一为高电平。
●pwmn （j8的引脚4）：pwmr、pwmg和pwmb进行逻辑nor。只有所有三个pwm信号均为低电平时，pwmn为高电平。
●on/off （j1）：保持开路或驱动至+5v使能驱动器，连接至gnd禁用电路板工作。
输出
●ledr、ledg、ledb （j5、j6和j7）：10a rgb led输出。将led+连接至引脚3、4和5；将led-连接至引脚6、7和8。
●outv （j2）：提供与led电流成比例的信号，outv上的电压为r12||r16电压的135倍。
●vin_out （j3）：输入电源电压，用于连接至其它电路板。引脚1和2为vin+；引脚3和4为gnd。
图1. led驱动电路板（顶层）
图2. led驱动电路板（底层）
图3. 由max16821构成的led驱动器原理图。
电路说明
低功耗投影仪采用单芯片dlp处理rgb颜色。任何给定时间内只点亮一种颜色的dlp。这种方法能够采用一路大电流驱动器，配合几个附加开关实现led之间的切换，从而构成紧凑、经济的投影仪设计。
本文提供的led驱动器参考设计采用单个降压转换器依次为rgb led提供10a电流驱动。mosfets q8、q9和q10选择并切换稳定的电感电流，基于pwm信号为其中一个rgb led提供驱动。
max16821b buck转换器的核心电路工作在平均电流控制模式，将10v至15v输入电源电压降至4.5v至6v led正向偏压。buck转换器的工作频率通过外部接地电阻设置。mode引脚连接至gnd，选择ic工作buck驱动器模式。转换器开关工作频率为300khz，该设置使得器件优化工作在以较小尺寸电感提供非常高的效率。
设计要求led电流上升/下降时间小于1?s，为达到这一指标，必须选择非常小的输出滤波电容，从而增大了负载纹波电流。另外，如果选择大于常规值的电感，电感纹波电流将保持在负载纹波电流以内。输出端通过1?f电容（c11）将输出电流摆率限制在10a/?s，防止寄生元件造成任何过冲。
led驱动器通过电感控制并维持10a电流，按照任意瞬间需要驱动的led，分别导通q8、q9或q10，将电感电流切换到对应的led。全部三个led关闭时，电感电流通过q4构成本地回路。
max16821器件有两个控制环路：内部环路控制电感电流，外部环路确定驱动led所需的电感电流。在降压转换器中，电感电流与led电流相同。因此，控制电路被简化为单个电感电流监测环路。本设计中，为防止电感电流的次级谐波振荡，r5将电流误差放大器增益限制在11.5v/v。电流环路补偿没有零-极点对，从而增大了低频增益，使电感电流准确稳定在电压环路的设置值。电压误差放大器将r11||r17两端的led检流电压与内部100mv基准进行比较，并提供70db误差增益。经过放大后的输出驱动内部电流环路。即使内部电流环路增益较低，由于电压误差放大器的高增益也能够使led电流稳定在10a。
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●vin：12v
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●制冷：电路板被强制风冷
●电路板温度：+53°c
●q1、q3外壳：+60°c
●q4、q8、q9和q10外壳：+58°c
●u1顶部：+53°c
●l1线圈温度：+70°c
上电步骤
●将10a rgb led连接至j5、j6和j7。
●保持pwmr、pwmg、pwmb和pwmn信号为低电平。
●将电源电压逐渐增高至10v，观察电流，电流应小于0.3a。
●施加pwm信号pwmr、pwmg和pwmb，pwm占空比为15%至20% （定位每个pwm脉冲，同时应只有一个pwm信号为高电平）。pwmn信号应为pwmr、pwmg和pwmb的数字或非。全部三个led按照设定的占空比由10a电流交替驱动。
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