簡介

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,這為工程師在空間受限的設(shè)計中完成合適的解決方案帶來了新的設(shè)計難題。

為了滿足緊湊型電子設(shè)備日益嚴格的尺寸要求,集成電路(IC)設(shè)計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,因為它們無處不在(所有設(shè)備都需要電源),電源設(shè)計人員通常會面臨這樣一個現(xiàn)實,即縮小解決方案尺寸往往會對性能產(chǎn)生負面影響。

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)計相比,緊湊型設(shè)計最終會帶來不需要的結(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)換器對于設(shè)計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)對在創(chuàng)建靈活緊湊的DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案的同時不會犧牲性能的挑戰(zhàn)。LT3942將四個40 V/2 A電源開關(guān)、兩個柵極驅(qū)動器自舉二極管及其所有的控制和驅(qū)動器電路集成到一個4 mm × 5 mm小型QFN封裝中。由于具有高達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)測并比較其輸入和輸出電壓,以確定正確的工作模式。當PVIN:PVOUT的比率發(fā)生變化并迫使轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換模式時,LT3942保持穩(wěn)壓作用,同時可以在開關(guān)對之間智能切換控制。

除了通過多種PVIN:PVOUT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)控反饋提供了一個與實測電流成比例的緩沖電壓輸出,從而允許連接的電路監(jiān)控實測的電流水平。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)動器

圖1顯示了基于LT3942的緊湊型LED驅(qū)動器的完整評估電路。該解決方案能夠為四個(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,因此可以使用相對較小的電感和電容。所以完整的LED驅(qū)動器解決方案適合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。當在降壓模式下工作時,LT3942使用外部PWM源對LED進行100 Hz無閃爍調(diào)光,從而實現(xiàn)高達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)光功能實現(xiàn)LT3942調(diào)光。內(nèi)部調(diào)光提供高達128:1的調(diào)光功能,無需任何外部PWM信號源,僅需一個電阻即可設(shè)置調(diào)光頻率,以及一個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20:1的模擬調(diào)光。可以將模擬和PWM調(diào)光組合使用,以實現(xiàn)比單獨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)建了一個緊湊型14 W LED驅(qū)動器應(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)用在寬動態(tài)亮度范圍內(nèi)實現(xiàn)高比率PWM調(diào)光。無需EMI濾波器,DC2404A在120 Hz時可實現(xiàn)高達4000:1的調(diào)光,而在100 Hz時則可實現(xiàn)高達5000:1的調(diào)光。

展頻用于降低EMI峰值

為了幫助創(chuàng)建一個低噪聲DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng),LT3942內(nèi)置一個可選展頻(SSFM)功能。SSFM一旦啟用,會在由RT電阻設(shè)置的值至高達25%的額外開關(guān)頻率之間掃描開關(guān)頻率。該掃描動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,有助于降低寬頻率范圍內(nèi)的EMI,從而更易于設(shè)計符合輻射標準的系統(tǒng)。

12 V、1 A穩(wěn)壓器

LT3942不只限于驅(qū)動LED。它是一款功能強大的緊湊型穩(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)計與圖2中的14 W LED驅(qū)動器解決方案相似,但做了一些小改動。與LED驅(qū)動器應(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,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載條件下仍可高效運行。

LT3942的電流檢測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。將檢測電阻配置在輸出端時,可以很輕松地將LT3942配置用作緊湊型恒流、恒壓電池充電器。對于具有嚴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)和負載效率特性。

汽車順序點亮轉(zhuǎn)向信號和裝飾性照明

在新型豪車和高性能汽車上常見的動畫式順序點亮轉(zhuǎn)向信號燈正在迅速普及,逐步取代傳統(tǒng)的閃爍式指示燈。早期的順序點亮轉(zhuǎn)向信號的實現(xiàn)采用多個降壓轉(zhuǎn)換器或線性穩(wěn)壓器為轉(zhuǎn)向信號燈組中的LED供電,導致解決方案復雜、相對低效且過于龐大,極大地限制了照明設(shè)計的應(yīng)用領(lǐng)域。減少所需功率IC的數(shù)量,使用單個高效器件,是擴大照明設(shè)計人員選擇范圍的明顯方式。

單個轉(zhuǎn)換器解決方案需要的器件能夠?qū)Ω鞣NLED組合(照明設(shè)計中會出現(xiàn)從所有LED點亮到單個LED點亮,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)。隨著動畫燈在連接的LED的各種配置中變化時,輸入電壓會高于、低于或等于輸出電壓。這種類型的應(yīng)用需要一個升壓-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,同時維持輸出調(diào)節(jié)。LT3942的降壓-升壓拓撲和高帶寬工作性能使它能夠輕松操縱這些變化而不會出現(xiàn)毛刺。

圖5所示的順序點亮轉(zhuǎn)向信號設(shè)計采用LT3942從汽車電池以330 mA電流為八個LED供電,并可選擇為一串琥珀色LED(用于轉(zhuǎn)向信號燈操作)、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)計中)供電。

圖5．在順序點亮轉(zhuǎn)向信號應(yīng)用中,每次點亮一個LED,從而迫使DC-DC轉(zhuǎn)換器迅速適應(yīng)新的PVIN:PVOUT組合。這對LT3942來說不是問題,因為它可在順序點亮轉(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。

微控制器充當用戶輸入的轉(zhuǎn)向信號與照明系統(tǒng)之間的接口。這使照明設(shè)計人員(或最終用戶,如果需要的話)能夠完全控制執(zhí)行LED動畫順序點亮所需的所有時序和信號,并且可以控制在任何給定時間為哪種顏色的LED燈串供電。

在此設(shè)計中,在順序點亮模式期間,每次向燈串導入一個轉(zhuǎn)向信號LED,以產(chǎn)生轉(zhuǎn)向信號。當LED由微控制器添加到燈串時,LT3942維持對輸出電流的調(diào)節(jié),以保持一致的光亮度。在所有LED都點亮之后,LT3942停止開關(guān)操作,并拉低輸出電壓,使轉(zhuǎn)換器設(shè)置為下一個順序點亮周期做好準備。當轉(zhuǎn)向信號未使用時,微控制器重新連至裝飾照明LED串,并繼續(xù)等待轉(zhuǎn)向信號用戶輸入,這將兩種照明功能組合到一個LED驅(qū)動器解決方案中。

小結(jié)

電子設(shè)備迫使工程師不斷尋求更小的集成器件,以滿足日益增長的空間受限需求。LT3942單芯片降壓-升壓轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動器集成了眾多可節(jié)省空間的特性,以解決空間受限的電氣設(shè)計難題,同時不會犧牲性能。其單芯片設(shè)計和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。

對于需要低噪聲電源以滿足嚴格EMI要求的設(shè)計,LT3942的SSFM功能有助于降低傳導發(fā)射和電磁輻射騷擾,其便捷的IC封裝引腳排列可實現(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)計人員面臨緊湊型電源需求時,簡化他們的工作。