單片DC-DC轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動(dòng)器消除了PCB空間限制問題

隨著電子設(shè)備尺寸的縮小，它們內(nèi)部的電路也必須這樣做。這種產(chǎn)品小型化的趨勢(shì)在所有行業(yè)中都很明顯，并為負(fù)責(zé)在空間受限的設(shè)計(jì)中安裝解決方案的工程師帶來了新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

為了滿足對(duì)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)人員將外部元件引入其器件內(nèi)部，以最大限度地減少外部元件數(shù)量。在構(gòu)建任何電子設(shè)備所需的各種電路中，DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸縮小與無處不在（一切都需要電源）一樣具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)殡娫丛O(shè)計(jì)人員經(jīng)常面臨這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)，即縮小解決方案尺寸通常會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

例如，節(jié)省大量PCB空間的一種方法是使用單片DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器在IC封裝中集成了精心挑選的電源開關(guān)器件，從而將所需的外部元件減少到幾個(gè)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，由此產(chǎn)生的緊湊設(shè)計(jì)帶來了不希望的結(jié)果，即在更小的空間內(nèi)增加功率損耗，從而產(chǎn)生更高的溫升。選擇合適的單片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，以避免產(chǎn)生有問題的熱量水平。

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公司最通用的單片式降壓-升壓型穩(wěn)壓器IC之一。這款升壓/降壓轉(zhuǎn)換器滿足了在不犧牲性能的情況下創(chuàng)建靈活緊湊的DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案的挑戰(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控制和驅(qū)動(dòng)器電路集成到一個(gè)小型4 mm×5 mm QFN封裝中。由于能夠在高達(dá)2 MHz的開關(guān)頻率下工作，因此外部元件尺寸保持在最低限度，從而節(jié)省了PCB空間，并為任何DC-DC轉(zhuǎn)換器提供了高帶寬操作。

LT3942 采用與 LT8390A / LT8391A 系列降壓-升壓型控制器 IC 相同的峰值電流模式控制方案，并表現(xiàn)出 2 開關(guān)升壓 （升壓）、4 開關(guān)降壓-升壓 （升壓 / 降壓） 和 2 開關(guān)降壓 （降壓） 工作模式之間的無縫轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器觀察并比較其輸入和輸出電壓，以確定正確的工作模式。作為光伏的比例在：光伏外改變并強(qiáng)制轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模式，LT3942 在智能地在開關(guān)對(duì)之間切換控制的同時(shí)保持穩(wěn)壓。

除了調(diào)節(jié)各種PV的輸出電壓在：光伏外結(jié)合組合，LT3942 還可配置為調(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)控反饋提供與測(cè)量電流成比例的緩沖電壓輸出，允許連接的電路檢查測(cè)量的電流水平。這種調(diào)節(jié)電流或電壓的能力使得 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型轉(zhuǎn)換器或通用穩(wěn)壓器。

14 V、1 A LED 驅(qū)動(dòng)器

圖1示出了一款基于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)榇?lián)連接的四個(gè)（高達(dá) 14 V）白光 LED 串提供 1 A 電流。最大功率輸出輸入電壓范圍為7 V至36 V，電流降低至4 V，非常適合非穩(wěn)壓汽車輸入電源。該解決方案中的LT3942以2 MHz開關(guān)頻率工作，支持使用相對(duì)較小的電感器和電容器。結(jié)果是，整個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器解決方案適合15 mm×15 mm的PCB基底面，所有元件都放置在電路板的一側(cè)，包括IC。

圖1.這款基于 LT3942 的演示電路 （DC2404A） 展示了一款高性能、緊湊型 DC-DC 穩(wěn)壓器解決方案，專門用于本例中驅(qū)動(dòng) LED。

該解決方案還具有高帶寬操作，允許快速調(diào)整輸出電流。在降壓操作時(shí)，LT3942 使用外部 PWM 源以 100 Hz 的無閃爍頻率對(duì) LED 進(jìn)行調(diào)光，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá) 5000：1 的調(diào)光比。如果一個(gè)外部 PWM 電源不可用，則還可以利用其內(nèi)部 PWM 調(diào)光功能對(duì) LT3942 進(jìn)行調(diào)光。內(nèi)部調(diào)光提供高達(dá) 128：1 的調(diào)光，無需任何外部 PWM 信號(hào)源，只需一個(gè)電阻器即可設(shè)置調(diào)光頻率，并需要一個(gè)直流電壓來控制輸出電流的占空比。與大多數(shù)線性? LED 驅(qū)動(dòng)器一樣，LT3942 還具有模擬調(diào)光功能，方法是在 CTRL 引腳上施加一個(gè)直流電壓以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 20：1 的模擬調(diào)光。模擬和PWM調(diào)光可以結(jié)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。

擴(kuò)頻頻率調(diào)制可降低 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 包括一種可選的擴(kuò)頻頻率調(diào)制 （SSFM） 功能。使能時(shí)，SSFM 掃描由 RT 電阻設(shè)定的值之間的開關(guān)頻率，以及高達(dá) 25% 的額外開關(guān)頻率。這種掃蕩作用可分散在寬頻譜頻率上切換引起的輻射，而不是將這些輻射集中到窄帶中，從而總體上降低EMI峰值。當(dāng)與輸入和輸出EMI濾波器結(jié)合使用時(shí)，SSFM可以幫助降低寬頻率范圍內(nèi)的EMI，從而更容易設(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、非穩(wěn)壓電源產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的問題。圖4所示的12 V、1 A穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)與圖2所示的14 W LED驅(qū)動(dòng)器解決方案類似，只是進(jìn)行了一些小的修改。與LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用一樣，穩(wěn)壓器可以在寬輸入電壓范圍內(nèi)保持輸出調(diào)節(jié)，提供低至7 V的全輸出功率，并在降低輸出功率的情況下保持低至4 V的運(yùn)行。

圖2.DC2404A 利用 LT3942 創(chuàng)建緊湊型 14 W LED 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，能夠在寬輸入范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的輸出電流。

圖3.LT3942 的高帶寬操作有助于為具有寬動(dòng)態(tài)亮度范圍的 LED 照明應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高比率 PWM 調(diào)光。移除 EMI 濾波器后，DC2404A 在 120 Hz 時(shí)可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 4000：1 的調(diào)光，在 100 Hz 時(shí)可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 5000：1 的調(diào)光。

圖4中的效率曲線顯示，即使在2 MHz開關(guān)頻率下工作時(shí)，LT3942 12 V穩(wěn)壓器也擁有接近95%的令人印象深刻的峰值效率，其大部分輸入電壓范圍的效率為85%及以上。即使以總輸出功率的十分之一為其輸出供電，也能保持超過 80% 的效率，這表明其在輕負(fù)載條件下能夠高效運(yùn)行。

（a）. 輸入電壓效率掃描。

（b）. 負(fù)載電流效率掃描。

圖4.LT3942配置為12 W穩(wěn)壓器，在寬輸入范圍內(nèi)表現(xiàn)出出色的線路和負(fù)載效率特性。

LT3942 的電流檢測(cè)和控制功能面向 LED 調(diào)光控制，但它在需要電壓調(diào)節(jié)和電流控制的其他情況下表現(xiàn)良好。當(dāng)在輸出端配置檢測(cè)電阻器時(shí)，LT3942 可輕松配置為充當(dāng)一個(gè)緊湊的恒定電流、恒定電壓電池充電器。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、電容器組或光伏電池供電的電路，檢測(cè)電阻可以移動(dòng)到穩(wěn)壓器的輸入側(cè)，從而為系統(tǒng)提供輸入電流限制以及監(jiān)控。LT3942 可從 CC 模式無縫轉(zhuǎn)換至 CV 模式 （反之亦然），從而確保始終調(diào)節(jié)輸入和 / 或輸出。

汽車順序轉(zhuǎn)向信號(hào)燈和裝飾照明

在較新的豪華和高性能汽車上常見的動(dòng)畫順序轉(zhuǎn)向信號(hào)燈正在迅速普及，取代了傳統(tǒng)的閃光燈式指示燈。順序轉(zhuǎn)向信號(hào)的早期實(shí)現(xiàn)使用多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器或線性穩(wěn)壓器為轉(zhuǎn)向信號(hào)簇中的LED供電，導(dǎo)致解決方案復(fù)雜、效率相對(duì)低下且過大，極大地限制了可能的照明設(shè)計(jì)領(lǐng)域。將所需功率IC的數(shù)量減少到一個(gè)高效的器件是擴(kuò)大照明設(shè)計(jì)師選擇范圍的明顯方法。

單個(gè)轉(zhuǎn)換器解決方案要求器件能夠在各種 LED 組合（因此，照明設(shè)計(jì)中出現(xiàn)串電壓）之間保持輸出調(diào)節(jié)：從每個(gè) LED 亮起，到單個(gè) LED 亮起，再到介于兩者之間的所有其他組合。當(dāng)動(dòng)畫燈通過連接的LED的配置時(shí)，輸入電壓可以高于、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并在工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換，同時(shí)保持輸出調(diào)節(jié)。LT3942 的降壓-升壓型拓?fù)浜透邘挷僮魇蛊淠軌蜉p松導(dǎo)航這些變化而不會(huì)產(chǎn)生毛刺。

圖5所示的順序轉(zhuǎn)向信號(hào)設(shè)計(jì)使用LT3942從汽車電池以330 mA電流為8個(gè)LED供電，并選擇為琥珀色LED串供電（用于轉(zhuǎn)向信號(hào)操作）或白色燈串（用于日間行車燈或前照燈/尾燈設(shè)計(jì)中使用的其他裝飾照明）。

圖5.在順序轉(zhuǎn)向信號(hào)應(yīng)用中，LED 一次一個(gè)亮起，迫使 DC-DC 轉(zhuǎn)換器快速調(diào)整以適應(yīng)新的光伏在：光伏外組合。這對(duì)于 LT3942 來說沒有問題，它在順序匝數(shù)模式期間從升壓操作無縫轉(zhuǎn)換到降壓-升壓操作，從而確保在各種模式上調(diào)節(jié) LED 電流。

微控制器充當(dāng)用戶輸入的轉(zhuǎn)向信號(hào)和照明系統(tǒng)之間的接口。這使照明設(shè)計(jì)師（或最終用戶，如果需要）可以完全控制執(zhí)行 LED 動(dòng)畫順序開啟所需的所有時(shí)間和信號(hào)，并控制在任何給定時(shí)間為哪種顏色的 LED 串供電。

在此設(shè)計(jì)中，在順序?qū)Ｊ狡陂g，轉(zhuǎn)向信號(hào)燈 LED 一次一個(gè)地引入串以產(chǎn)生轉(zhuǎn)向信號(hào)。當(dāng) LED 由微控制器添加到燈串中時(shí)，LT3942 保持對(duì)輸出電流的調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)一致的光亮度。在所有 LED 均亮起后，LT3942 停止開關(guān)操作，輸出電壓被耗盡，以將轉(zhuǎn)換器設(shè)置為下一個(gè)順序?qū)ㄖ芷凇．?dāng)不使用轉(zhuǎn)向信號(hào)時(shí)，微控制器重新連接微調(diào)照明LED串并繼續(xù)等待轉(zhuǎn)向信號(hào)用戶輸入，將兩種照明功能組合到單個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器解決方案中。

總結(jié)

電子設(shè)備繼續(xù)迫使工程師尋求更小的集成設(shè)備，以滿足日益有限的空間要求。LT?3942 單片式降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器和 LED 驅(qū)動(dòng)器通過集成許多節(jié)省空間的功能而不影響性能，解決了空間受限的電氣設(shè)計(jì)問題。其單芯片設(shè)計(jì)和 2 MHz 開關(guān)頻率操作縮小了解決方案尺寸，使其能夠擠入狹窄的 PCB 設(shè)計(jì)中。它具有高度的靈活性，能夠同時(shí)用作恒流和恒壓穩(wěn)壓器，使其適合各種應(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)和輻射發(fā)射，其方便的 IC 封裝引出腳配置可實(shí)現(xiàn)緊湊的開關(guān)熱回路。這些特性加上寬輸入范圍，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員在面對(duì)緊湊電源要求時(shí)的工作。

審核編輯：郭婷