实例12.基于MAX16818的LED驱动电路
MAX16818是脉宽调制（PWM）型1.5MHz、30A高效白光LED驱动器，可快速响应白光LED脉动电流，采用紧凑封装，可在使用最少外部元件的情况下提供较大的输出电流。MAX16818非常适合于同步和非同步降压（Buck）拓扑，以及Boost、Buck-Boost、SEPIC和CukLED驱动器结构。MAX16818采用Maxim创新的白光LED驱动控制器结构，可以实现高达20A/µs的快速白光LED瞬态电流以及30kHz的亮度调节频率。
该器件采用平均电流模式控制，采用通过优化具有最佳电荷和导通电阻特性的MOSFET，在输出电流高达30A时也能使对外部散热器的需求降到最低。真差分检测技术可以精确控制白光LED电流。通过外部PWM信号可以方便地实现宽范围的白光LED亮度调节。内部稳压器配合简单的外部偏压器件，可以使器件工作在较宽的4.75～5.5V或7～28V输入电压范围。开关频率可高达1.5MHz，允许使用小尺寸的电感和电容。
MAX16818具有延迟180°相位的时钟输出，可用于控制另一个错相工作的白光LED驱动器，以减小输入和输出滤波电容尺寸并降低纹波电流。MAX16818还提供可编程的打嗝式过电流、过电压以及过热保护功能。MAX16818ETE+可工作于扩展级温度范围（−40～+85℃），而MAX16818ATE+则工作于汽车级温度范围（−40～+125℃）。该LED驱动控制器提供带裸露焊盘的、无铅、0.8mm厚、5mm×5mm、28引脚TQFN封装。MAX16818的主要技术特性有：
1）可编程开关频率或由外部控制器同步在125kHz～1.5MHz范围内。
2）内置4A栅极驱动器。
3）时钟输出，用于180°错相工作。
HB-LED需用电流源而非电压源来驱动，为了优化HB-LED驱动电路的设计，驱动器采用改进后的降压-升压变换器拓扑，将串联的HB-LED串置于DC/DC变换器输出端和输入电压源之间。运用这种连接方式，可以为HB-LED串提供低于或高于输入电压的驱动电压。
降压-升压变换器的输入电流是非脉动方式，这不同于典型的降压-升压变换器的脉动输入电流，非脉动电流可有效降低EMI。高亮LED驱动器的简化框图如图4-19所示。在图4-19所示的HB-LED驱动器电路中，HB-LED端电压为
VLED=(Vout−Vin) （4-14）
由于
，D为占空比，则：
图4-19 高亮LED驱动器的简化框图
在平均电流控制模式下，输入电流的反馈电压由检流电阻检测。采用平均电流控制模式（内部环路）的高亮LED驱动如图4-20所示。该电压送入电流误差放大器（CEA）的反相输入端。放大器的同相输入端为电流控制电压。比较后的误差信号经过放大器放大后，驱动PWM比较器的输入端，与开关频率的斜坡信号进行比较。电流环路的增益带宽特性可通过CEA附近的补偿网络进行优化。
MAX16818为采用平均电流模式控制器，利用跨导放大器放大电流误差信号。检流电阻两端的电压由内部放大器放大34.5倍，电流误差放大器的跨导是550μs，锯齿波信号峰值为2V。输入电流在返回通路上由电阻RS检测。利用MAX16818（内部电流环路）构建的HB-LED驱动器如图4-21所示。
图4-20 采用平均电流控制模式（内部环路）的高亮LED驱动
图4-21 利用MAX16818（内部电流环路）构建的HB-LED驱动器
电路中电流检测电阻值由平均电流极限设置，HB-LED支路的最大电压为
VLED(min)=nVfm(IF) （4-16）
式中，n是LED的数目；Vfm(IF)是LED在满负荷电流IF下的最大压降。
最大输入功率为
Pmax=VLED(max)IF （4-17）
效率为η时，最大输入电流为
最小平均电流阈值为24mV，因而电流检测电阻值为
为了避免控制器的PWM比较器输出自激，比较器反相输入信号的斜率应小于同相输入的锯齿波斜率。锯齿波斜率为VSfS，电流误差放大器的增益GCA为
GCA=34.5gmRC （4-20）
式中，gm是CEA跨导。
放大器输出为PWM比较器的反相输入，PWM比较器的同相输入是锯齿波，峰值为VS、开关频率为fS。电流误差放大器从检流电压（电阻RS端电压）输入到放大器输出，在高频端的交流增益是频率低于补偿电容Cp产生的极点，也是PWM比较器敏感频点处的增益。电流误差放大器的最大增益GCA由下式决定：
式中，VLED(max)/L是输入电流的下降斜率。(https://www.daowen.com)
从式（4-20）和式（4-21）可以得出RC的最大值为
由RCCC决定的零点频率要低于电流环路的交越频率fC，且要留有足够的相位余量，这是确定CC值的标准。LED驱动器功率电路的小信号等效模型由以下公式推导：
升压调节器电流环路的小信号控制的输出增益，即RS端电压VRS与CEA输出VCA电压比：
式中，RS为电流检测电阻；L为输入电感值；Vin是直流输入电压；VLED是LED支路的总直流电压；VS为同相输入端锯齿波峰值电压；fC为电流环路的交越频率。
输入电流部分的总开环增益为式（4-25）和式（4-20）的乘积，将乘积设为1，计算环路的交越频率为
将式（4-24）中的RC最大值带入式（4-26），交越频率最大值fCmax为
设计有3条LED串联支路的驱动电路，输入电压范围为7～28V，开关频率为600kHz，电感为5.1μH。电路所需最大输出电流为1.2A，LED数为1～4只，LED支路的最大压降为18V，总输出功率为Pmax=21.6W。假定效率为90%，可以计算出最大输入电流为3.428A。如果设定检流电阻为0.007Ω，RC最大值可以由式（4-22）求得
可选择小于RCmax的RC，RC=2kΩ。对于18V的输出，由式（4-26）求出
需设定零点频率fZ低于fCmax，本例中，选择CC为2200pF。所以，零点频率为
极点频率需高于2倍开关频率，这里选择CP为4pF，得到fP为1.693MHz。LED可以为一个电压源串联一个电阻，在该电路中，每个LED等效为3.15V电压源串联一个0.6Ω的电阻。如果将3只LED串联，那么总的电压源电压为9.45V，总阻抗为1.8Ω。如果输入为9V，3只LED串联，则交越频率为
LED亮度可以通过PWM信号控制，这种方法通过调整驱动器的导通时间控制LED驱动器的输出电流。采用PWM调光方式时，LED驱动器的导通时间可调，其占空比近似等效于LED亮度，即100%占空比对应最大亮度。
图4-22 PWM调光过程中的波形图
LED驱动器输入电压为7～28V，LED电流通过电位器在0.4～1.2A范围内调节。LED支路可以串联1～4只LED。图4-22所示是PWM调光过程中的波形图。LED电流具有较快的上升和下降时间，当PWM调光信号变高时，对于0.8A的LED电流会有小于100mA的过冲。
在图4-22a中，3只串联LED的电流为0.8A，输入电压为7V。示波器通道1为PWM调光信号，通道4为LED电流，该电流在PWM信号变高时会增大。而在图4-22b中，当PWM信号关断时，LED电流降为0。
从图4-22所示的PWM调光过程中的波形图可以看出，平均电流控制模式能够理想的用于LED驱动，同时也可以方便地对该电路加以改进，以使PWM亮度控制电路实现较高的调光比。
图4-23所示的PWM调光过程与图4-22采用了相同设置，与图4-22唯一的区别是输入电压为14V。图4-23a所示的PWM调光过程为LED电流的上升过程，示波器通道1为PWM调光信号，通道4为LED电流。图4-23b所示的PWM调光过程为LED电流的下降过程，示波器通道1为PWM调光信号，通道4为LED电流。
图4-23 PWM调光过程
图4-24所示为MAX16818驱动白光LED电路，电路采用经过优化的平均电流控制模式，能够更好地利用MOSFET的电荷、导通电阻特性，无需外部散热器即可提供高达30A的驱动LED电流。由于汽车尾灯中的LED数量多于内部照明，必须采用多个驱动芯片。多芯片驱动结构也提供了必要的冗余设计，即使在某些电路故障时仍能确保工作。同样的冗余设计也适用于指示灯及其他信号灯。
图4-24 MAX16818驱动白光LED电路
MAX16818可以构成Buck、Boost以及SEPIC结构，高达1.5MHz的工作频率允许使用小尺寸外部组件。外部照明应用通常需要迅速开启或瞬间切换亮度，为达这一目的，MAX16818是首款采用Maxim专利技术的LED驱动器，利用专有技术能够使LED的瞬态电流响应达20A/s。需要更高电流输出或冗余设计时，MAX16818含有一个180°延迟时钟输出，可以用来控制第二个LED驱动器。