基于LM3409芯片的恒流電路的設(shè)計(jì)

1）LM3409是TI公司推出的一款LED恒流驅(qū)動芯片，芯片手冊和應(yīng)用說明可以在官網(wǎng)查詢到參考資料，但是內(nèi)部推導(dǎo)過程對于新手們可以參考一下介紹內(nèi)容。

2）下圖是芯片的框圖和引腳介紹，尤其新手朋友們要先仔細(xì)閱讀手冊。

3）下面直接介紹應(yīng)用電路及引腳中文描述，詳細(xì)電路推導(dǎo)接下來會介紹。

下圖為中文描述：

4）設(shè)計(jì)電路時必要知道的相關(guān)參數(shù)，此部分設(shè)計(jì)人員要提前規(guī)劃好。

VIN=48V;VIN-MAX=75V； 設(shè)定電路輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓及最大輸入電壓；

VO=42V； 設(shè)定目標(biāo)輸出電壓；

FSW=400kHz; 設(shè)定芯片開關(guān)控制頻率；

ILED=1.5A； 目標(biāo)輸出電流；

△iLED-PP=△iL-PP=300mA; 設(shè)定輸出的紋波電流要求，峰峰值；

△VIN-PP=1.44V； 輸入的紋波電壓峰峰值；

η=0.97； 估算輸入電源效率；

VTURN-ON=10V; VHYS=1.1V； 設(shè)定低壓保護(hù)值和遲滯電壓VHYS=1.1V；

這里主要介紹一下UVLO欠壓鎖定引腳，此引腳電壓為人為設(shè)定低壓鎖定值VUVLO；配合遲滯電壓VHYS人為設(shè)定值。欠壓鎖定通過 VIN和 GND之間的電阻分壓器設(shè)置，并與 1.24V閾值進(jìn)行比較，如圖28所示。一旦輸入電壓高于預(yù)設(shè)的 UVLO上升閾值（假設(shè)該器件已啟用），內(nèi)部電路就會激活，并且 UVLO引腳上的 22μA電流源會打開。這個額外的電流提供滯后作用以創(chuàng)建一個較低的 UVLO下降閾值。

5）標(biāo)稱開關(guān)頻率的計(jì)算過程

下圖是芯片內(nèi)部及外圍的開關(guān)控制頻率的電路圖，此部分為RC電路。

在tOFF開始時COFF兩端的電壓(VCOFF(t))為零，電容器開始根據(jù) ROFF和 COFF提供的時間常數(shù)充電。當(dāng)VCOFF(t)達(dá)到關(guān)閉時間閾值 (VOFT= 1.24V)時，關(guān)閉時間終止并且(VCOFF(t))重置為零。其中20pF是寄生電容；上述結(jié)果的推導(dǎo)見下圖。

接下來我們要計(jì)算電路中R6;首先我們要選型C7電容，即假定C7=470pF,并已知η=0.97；

下圖是電容充電函數(shù)圖像：

雖然tOFF方程是非線性的，但在大多數(shù)應(yīng)用中tOFF實(shí)際上是非常線性的。忽略COFF引腳上的 20pF寄生電容，VCOFF(t)繪制在上圖中?？梢杂?jì)算VCOFF(t)的時間導(dǎo)數(shù)以找到tOFF方程的線性近似值：

對式7進(jìn)行求導(dǎo)可得下式：

當(dāng) tOFF<< ROFFx COFF（相當(dāng)于 VO>> 1.24V時），函數(shù)的斜率基本上是線性的，tOFF可以近似為給 COFF充電的電流源：

這里要知道開關(guān)頻率是用來調(diào)節(jié)BUCK電路的，這里引入一個BUCK電路占空比的概念后續(xù)會提供相關(guān)證明，BUCK電路如果電流過大開關(guān)會關(guān)閉，電流下降開關(guān)導(dǎo)通，這里存在導(dǎo)通和關(guān)斷時間概念；

由上圖計(jì)算可知：

6）接下來是BUCK電路的計(jì)算推導(dǎo)；

首先要明白最基本的電感基本公式；開通和關(guān)斷時間為一個周期，占空比為開通所占整個周期的比例。

由上圖可知電感L1為：

7）下面是計(jì)算LED恒流和反饋電阻R9

下圖是芯片內(nèi)部框圖

由上圖可知芯片內(nèi)部鉗位二極管旁邊是一個電壓跟隨器，上面運(yùn)放是一個比較器。

在開關(guān)周期開始時，Q1導(dǎo)通，電感電流增加。一旦檢測到峰值電流，Q1關(guān)閉，二極管 D1正向偏置，電感器電流減小。上圖顯示了如何使用電流流過電阻器 (RSNS)時產(chǎn)生的差分電壓信號來完成峰值電流檢測。(RSNS)兩端的電壓(VSNS)與可調(diào)電流檢測閾值 (VCST)進(jìn)行比較，當(dāng)VSNS超過VCST時，Q1將關(guān)閉，前提是tON大于可能的最小 tON（通常為115ns）。

計(jì)算分析見下圖，由運(yùn)放虛斷可知VZ=VY;通過下式推導(dǎo)可知比較器是比較(RSNS)兩端的電壓(VSNS)與可調(diào)電流檢測閾值 (VCST)進(jìn)行比較。

由上圖步驟4計(jì)算可知R9：

8）IADJ的作用

看芯片手冊可知IADJ引腳的作用是模擬 LED 電流調(diào)整。施加 0至 1.24 V的電壓，將電阻器連接到 GND，或懸空以設(shè)置電流檢測閾值電壓 (VCST)。有以下三種方式設(shè)置IADJ，結(jié)合第7節(jié)說明可知

9）輸入電容的選擇

電源輸入端電容為去耦電容，有濾波和穩(wěn)壓作用。

因?yàn)镃=Q/U----------Q=C*U，I=dQ/dt---------I=d（C*U）/dt=C*dU/dt，C=I*dt/dU

從上式可以看出，濾波電容大小與電源輸出電流和單位時間電容電壓變化率有關(guān)系，且輸出電流越大電容越大，單位時間電壓變化越小電容越大；

對于相同材料的電容器，容量越小，頻率特性越好。電容器的典型頻率特性是：隨著頻率的增加，總等效電容電抗減小，但當(dāng)頻率增加到一定值時，電容電抗開始增大。如果將此頻率定義為電容電抗的轉(zhuǎn)折頻率，則電容越小，轉(zhuǎn)折頻率越高。因此，為了獲得相同的電容，可以將幾個小容量電容器并聯(lián)，這樣可以改善電容器的高頻特性。

這里給大家普及一下C3=0.1uf是怎么來的，我們的芯片IC內(nèi)部的邏輯門在10-50Mhz范圍內(nèi)執(zhí)行的時候，芯片內(nèi)部產(chǎn)生的干擾也在10-50Mhz,（比如51單片機(jī)），0.1uF電容 （有兩種，一種是插件，一種是貼片）的谷底剛好落在了這個范圍內(nèi)，所以能夠?yàn)V除這個頻段的干擾。

10）輸入電容紋波電流有效值計(jì)算

在Buck電路中Q1的電流(IQ1)波形基本如下圖所示：0～DTs期間為一半梯形，DTs～Ts期間為零。當(dāng)0～DT期間Iq1⊿I足夠小時(不考慮輸出電流紋波的影響)，則Iq1波形為近似為一個高為Io、寬為DTs的矩形，則有：

Iin* Vin =Vo*IoàIin=(Vo/Vin)*Io=DIo (Iin，只要Cin容量足夠大，則在整個周期中是基本恒定的;按照能量守恒定律：Pin≈Pout)

Icin=Iq1-Iin

對Icin的表達(dá)式可以這樣理解：在Q1導(dǎo)通期間輸入端電源和輸入電容共同向輸出端提供電流，因此輸入電容電流等于Q1電流減去輸入端電流;在Q1關(guān)斷期間輸入端對電容充電，以補(bǔ)充在Q1導(dǎo)通期間所泄掉的電荷，而此時電流方向與所定義的正向是相反的，所以有Icin=-DIo根據(jù)有效值的定義.

有效值定義：有效值(Effectivevalue)在相同的電阻上分別通以直流電流和交流電流，經(jīng)過一個交流周期的時間，如果它們在電阻上所消耗的電能相等的話，則把該直流電流(電壓)的大小作為交流電流(電壓)的有效值，正弦電流(電壓)的有效值等于其最大值(幅值)的1/√2，約0.707倍。

在正弦交流電流電中根據(jù)熱等效原理，定義電流和電壓的有效值為其瞬時值在一個周期內(nèi)的方均根值。

注：上式是在不考慮紋波影響的前提下計(jì)算得來的，若要考慮紋波⊿I，相當(dāng)于在直流I0的基礎(chǔ)上疊加上了一個交流成分，

11）輸出電容的選擇和計(jì)算

輸出電容器需要保持直流輸出電壓。建議使用陶瓷或者CAP(鉭電容)；使用陶瓷電容時，開關(guān)頻率處的阻抗由電容決定。輸出電壓紋波主要由電容引起。

我們設(shè)計(jì)時總是按照電感電流諧波全部進(jìn)入Co，恒定分量進(jìn)入負(fù)載（ 如果帶阻性負(fù)載，在閉環(huán)電路的控制下，輸出電壓恒定，確實(shí)是這樣的）。即電感上直流部分IO全部給與負(fù)載，電感上的交流（三角波部分）給到了電容。也就是交流部分給電容充放電。

下面詳細(xì)介紹輸出電容工作流程，在Q1導(dǎo)通時電感感應(yīng)電動勢最大，電流最小，導(dǎo)通時電感電流逐漸增大，當(dāng)達(dá)到均值后，電感開始給電容充電，直到電感電流下降到均值后結(jié)束充電，然后電感開始電流繼續(xù)減小此時電容開始放電給負(fù)載。

其輸出電壓紋波的計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

電容充放電的總電荷量可用電流乘以時間計(jì)算，即為上圖中三角形的面積

12）P溝道MOS管選型計(jì)算

根據(jù)電路圖可知P管的耐壓VT與輸入最大電壓有關(guān)，P管的導(dǎo)通電流IT可根據(jù)能連守恒計(jì)算，見下圖：

13）續(xù)流二極管的選型

首先要明白二極管D1在PFET管Q1關(guān)閉(TDs～T)時即T（1-D）時間內(nèi)，電感L1產(chǎn)生反向電動勢進(jìn)行續(xù)流的。續(xù)流二極管選取要求，選擇額定正向平均電流大于等于1.5-2倍，反向重復(fù)峰值電壓大于等于1.5-2倍，正向壓降小，反向漏電流小，反向恢復(fù)時間段等.

P管關(guān)閉后，二極管平均電流ID*T=ILED*(1-D)T；即ID =ILED*(1-D)。

反向擊穿電壓

在二極管截止時，將會承受最大的反向電壓Urev,Urev =Vin

在選取二極管時，需要選擇比這個電壓高的

平均電流：ID=IO·（1-D）；IPEAK峰值電流：最大電流等于電感電流的最大值

IDMAX = Ipeak=Io + ? ·?I

額定功率：Pd = ID·VF，選用的二極管能承受這個消耗功率且要留有余量

正向?qū)妷篤F：

二極管的正向?qū)妷篤F越小，功率消耗就越小，所以要盡可能地選擇VF比較小的

反向恢復(fù)時間trr：

在開關(guān)電路中，一定要選擇反向恢復(fù)時間快的二極管，不然電路會工作異常。按反向恢復(fù)速度快慢分類：普通整流二極管 > 500ns ,快恢復(fù)二極管(150, 500)ns，超快恢復(fù)二極管（10，150)ns,肖特基二極管<10 ns。

14）輸入欠壓閉鎖

如果一個芯片有欠壓關(guān)斷，就會有閾值(閾值可以理解為臨界值)電壓，低于這個閾值電壓芯片就會自動停止運(yùn)行（也就是關(guān)斷），高于這個閾值，芯片就會重新啟動。如果芯片啟動后，假如閾值電壓為10V，當(dāng)電壓在10V臨界波動時，噪聲干擾都可能造成這種小的波動，于是在這個閾值附近芯片會不斷的啟停。遲滯電壓就是解決這一問題的，如果設(shè)置遲滯電壓為1.1V，則電壓為10V時芯片開啟，電壓電壓波動下降到8.9V時芯片才會徹底停止工作，這樣就解決了不斷的波動不斷的啟停。

VUVLO=10V；VHYS=1.1V； 設(shè)定低壓保護(hù)值和遲滯電壓；

根據(jù)上圖推算，代入數(shù)據(jù)后根據(jù)實(shí)際選型可得如下：

15）PWM調(diào)光方法

這里可以參照評估板的設(shè)計(jì)思路，PWM調(diào)光的好處是可以用軟件進(jìn)行調(diào)光，方便快捷。

16）EN引腳內(nèi)部調(diào)光電路介紹

啟用引腳 (EN)是用于 LED PWM調(diào)光的 TTL兼容輸入。EN的邏輯低電平（低于 0.5V）將禁用內(nèi)部驅(qū)動器并切斷流向 LED陣列的電流。當(dāng) EN引腳處于邏輯低電平狀態(tài)時，支持電路（驅(qū)動器、帶隙、V CC穩(wěn)壓器）保持活動狀態(tài)，以最大限度地減少在 EN引腳出現(xiàn)邏輯高電平（高于 1.74 V）時重新打開 LED陣列所需的時間。

17）旁路電容

這里大家需要理解旁路電容與去耦電容的概念，旁路電容是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦電容是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。

我們經(jīng)常提到去耦、耦合、濾波等說法，是從電容器在電路中所發(fā)揮的具體功能的角度去稱呼的，這些稱呼屬于同一個概念層次，而旁路則只是一種途徑，一種手段，一種方法。

比如，我們可以這么說：電容器通過將高頻信號旁路到地而實(shí)現(xiàn)去耦作用。因此，數(shù)字芯片電源引腳旁邊100nF的小電容，你可以稱之為去耦電容，也可以稱之為旁路電容，都是沒有錯的，如果你要強(qiáng)調(diào)的是去耦作用，則應(yīng)該稱其為去耦電容，有些日本廠家的數(shù)據(jù)手冊比較講究，文中講的是去耦電路，就會以“旁路（去耦）電容器”來表示。