具有温度管理控制功能的LED驱动器LM3424及其应用

摘要：介绍了具有温度管理控制功能的LED驱动器LM3424的引脚功能和典型应用电路，并对LED电流检测电路和热能回折电路的工作原理作了详细介绍，最后以boost典型应用电路为例，介绍了L343424芯片主要外围元件的选取方法。
关键词：LM3424；热能回折(Thermalfoldbaek)；温度管理；LED

0 引言
    LM3424是美国国家半导体推出的具有温度管理与控制功能的一款新品LED驱动器，该驱动器可驱动多达18颗串联的高亮度LED，适用于多
种不同的室内／户外照明系统以及汽车照明应用。在典型的应用情况下，LM3424可输出2 A以上的驱动电流，并可为降压、升压、SEPIC、反激及升／降压拓扑等各类应用提供稳压电流，可适用于4．5～75 V的较宽输入电压范围，而且其内置的PWM控制器可支持高速操作。

1 引脚功能
    LM3424采用散热能力更强的20引脚TSSOP封装形式，其引脚排列如图1所示。各引脚的功能说明如表1所列。

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2 工作原理
2．1 平均工作电流
    为了更好地理解LM3424的平均电流ILED，可先忽略热能回折电路的影响，在图2所示的LED电流检测电路中，热能回折电路可等效为一
个电流为零的恒流源(ITF=0A)。LM3424使用外接的电流检测电阻(RSNS)串接在LED电路中，它可将LED电流(ILED)转换为电压(VSNS)。引脚HSP和HSN是检测放大器的两个输入端。由运放知识可知，该电路的两引脚的电位相等(VHSP=VHSN)，因此，检测电阻上的电压VSNS即为电阻RHSP上的电压，因此，若ITF=0A，则有：
   

    而用误差放大器可将CSH端的电压控制在恒为1．24V，所以，该电压VSNS的值为：
   

    式中的三个电阻RSNS，RCSH和RHSP并不是任意的，为匹配和减小噪声，建议将电流ICSH设定为100 μA左右。由于这个电流不流经LED，所以并不对LED截止电流和LED电流的调节产生影响。ICSH的值可以大于或小于100μA，但这样会对检测放大器的补偿特性产生一些影响。另外，为尽量减小对检测放大器电压偏移的影响，VSNS的极小值建议取50 mV。

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2．2 热能回折(Thermal Foldback)电路
    热能回折电路在许多应用中都是很必要的，由于受到实际工作环境的影响，LED的内部温度可能会飙升至极高的水平。而热能回折电路可以监控系统热能，以免温度失控。其电路的热能回折原理特性如图3所示，图中，TBK为温度阈值点，当LED温度高于该值时，即进入非安全区，LED的寿命及照明效果便会受到影响。而这时，由于LED电流ILED也开始随之减小，减少的电流会使LED的亮度随之下降，但仍然保持在预设范围内，直至操作温度恢复到安全的操作范围内。事实上，采用LM3424芯片可为照明系统的LED设置温度及斜坡断点，从而确保LED停留在安全区内操作。

    图2所示的热能回折电路可通过添加到LM3424器件CSH端的电流ITF来实现。当ITF电流增大时，检测放大器的输出电流会相应减小，以使
LED的电流控制在一个较低的值。当ITF=ICSH时，其可到达温度最高点TEND，这时，ILED=0A。

    下面分析该电路的具体控制过程。
    ITF的大小是由差分电压VDIF决定的(VDIF=VTREF-VTSENSE)，其中VTREF可由RREF1和RREF2分压得到(典型值为2．45 V)。VTSENSE则可由一个NTC电阻得到，由图2可知，若VDIF<0 V，则检测温度小于TBK，差分检测放大器的输出ITF=0，即没有反馈。而检测温度等于TBK时，VDIF =0 V，ITF=0。这时，温度阈值为TBK时的NTC电阻值可由下式得到：
   

    通常可设置RREF1=RREF2，从而有RBIAS=RNTC-BK。若VDIF>0 V(温度高于TBK)，则运算放大器的输出电压值与VDIF相等，所以，RGAIN上的电流(由恒流源的知识可知其与ITF相等)会随着温度的上升而改变，即，ITF为：
   

    热能回折电路也可看成是一种模拟调光，只要想办法控制引脚TREF和TSENSE之间的差分电压，就能改变LED的电流，从而实现模拟调光。VDIF>0 V时的LED电流可由下式得到：
   

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3 典型工作电路及元器件选择设计
    由于LM34242芯片可为buck、boost、SEPIC和buck-boost拓扑的各类应用提供稳压电流，本文仅给出boost时典型应用电路，并以它为例介绍主要元件的选取设计。图4所示是其典型应用电路。

3．1 电感L1的选择
    L1是开关调整的主要能量存储器件，不同的拓扑电路中，能量从电感传输到负载的方式不同。电感上的纹波电流(△iL-PP)主要由电感量、通过电感的电压和开关频率决定。在设计过程中，L1需要根据得到的△iL-PP来进行选择。对于buck调节器，由于电感是直接与负载连接，而不需要接输出电容，因此，△iL-PP基本与LED的纹波电流△iLED-PP)相等。boost和buck-boost调节器应当接有输出电容，以用于减少△iLED-PP，因此，该电感的可允许纹波要比buck调节器大一些。通常△iLED-PP要小于ILED值的40％。由于buck调节器没有输出电容，所以，△iL-PP应小于ILED的40％。而对于boost和buck-boost等拓扑电路，由于有输出电容可以补偿，△iL-PP可以大一些。但是，一般建议△iL-PP要小于平均电感电路的一半，以限制电感的输出功率。所以boost和buck-boost调节器中的电感取值为：
   

3．2 LED动态电阻
    当负载为一串LED时，其输出负载电阻是LED串的动态电阻加上RSNS。由于LED是半导体二极管，所以，当通过的电流变化时，其阻值也会漂移。若只是通过二极管的正向电压除以正向电流得到动态电阻，则该值是不正确的。其结果可能大于实际值的5～10倍。这一点在设计时必须要考虑。
3．3 输出电容
    对于boost和buck-boost调节器来说，输出电容(CO)可为负载提供能量。当续流二极管D1反向截止时，在buck中，输出电容仅仅是减少LED纹波电流(△iLED-PP)，以使其低于电感的纹波电流(△iL-PP)。在所有电路结构中，适当的C0的大小能提供一个合适的△iLED-PP。由于△iLED-PP要小于LED平均电流(ILED-PP)的40％。所以，C0应仔细选取，因为它会影响到工作温度和工作电压。一般情况下，磁片电容是理想的选择。对于boost调节器，C0的取值是：
   

    其中，rD=NrLED，N是串联LED的数目，rLED是单个LED的动态电阻。
3．4 输入电容
    输入电容(CIN)可在开关状态的间断期间提供能量。对于buck和buck-boost，CIN在tON和tOFF时间都提供能量，而输入电压源则以平均电流(IIN)给输入电容充电。大多数应用中都需要在输入引脚VIN处放置一个0．1μF的陶瓷电容，而且它要尽可能的靠近输入引脚。在某些情况下，大容量的输入电容可能远离LM3424，但应在大容量输入电容和旁路电容之间放置一个10Ω的串联电阻，从而构成一个150 kHz滤波器，以滤除不希望的频率噪声。boost调节器时，CIN的取值为：
   

3．5 主MOSFET／调光MOSFET
    LM3424需外接NFET(Q1)作为主MOSFET以构成开关调节器。Q1的额定电压至少应高于电路最大工作电压的15％才能保证正常工作。当PWM
调光时，LM3424还需要另一个MOSFET(Q2)，且它应串联在LED上(在buck中是并联)。该MOSFET的额定电压可与输出电压(Vo)相等，额定电流至少要高于(ILED)10％。由于续流二极管(D1)在toFF时承载着电感上的电流，因此，D1通常应选肖特基二极管。

4 结束语
    本文介绍了具有温度管理控制功能的LED驱动器LM3424的主要功能和应用电路的设计方法。同时介绍了其具有的热能回折功能、原理和应用。最后以boost典型应用电路为例，给出了LM3424主要外围元件的选取方法。