作者：ADI公司 Kyle Lawrence
簡(jiǎn)介
隨著(zhù)電子設備尺寸不斷縮小，它們的內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(zhù)發(fā)展趨勢，這為工程師在空間受限的設計中完成合適的解決方案帶來(lái)了新的設計難題。
為了滿(mǎn)足緊湊型電子設備日益嚴格的尺寸要求，集成電路(IC)設計人員將外部元件集成到器件內部，以最大程度地減少外部元件數量。在構建所有電子設備所需的各種電路中，縮小DC-DC轉換器的尺寸同樣極具挑戰性，因為它們無(wú)處不在（所有設備都需要電源），電源設計人員通常會(huì )面臨這樣一個(gè)現實(shí)，即縮小解決方案尺寸往往會(huì )對性能產(chǎn)生負面影響。
例如，能顯著(zhù)節省PCB面積的一種方法是采用單芯片DC-DC轉換器，該轉換器將經(jīng)過(guò)精心選擇的電源開(kāi)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(wú)源器件。在許多情況下，與外部電源開(kāi)關(guān)控制器設計相比，緊湊型設計最終會(huì )帶來(lái)不需要的結果，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轉換器對于設計緊湊高效的電源系統至關(guān)重要。
2 MHz單芯片4開(kāi)關(guān)降壓-升壓DC-DC轉換器和LED驅動(dòng)器
LT3942是ADI公司非常通用的單芯片降壓-升壓穩壓器IC之一。該升壓-降壓轉換器能夠應對在創(chuàng )建靈活緊湊的DC-DC轉換器解決方案的同時(shí)不會(huì )犧牲性能的挑戰。LT3942將四個(gè)40 V/2 A電源開(kāi)關(guān)、兩個(gè)柵極驅動(dòng)器自舉二極管及其所有的控制和驅動(dòng)器電路集成到一個(gè)4 mm × 5 mm小型QFN封裝中。由于具有高達2 MHz工作開(kāi)關(guān)頻率能力，因此可以最大程度地減小外部元件的尺寸，節省PCB空間，同時(shí)為各種DC-DC轉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穩壓器解決方案，專(zhuān)門(mén)用來(lái)在這種情況下驅動(dòng)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(kāi)關(guān)升壓、4開(kāi)關(guān)降壓-升壓（升壓-降壓）和2開(kāi)關(guān)降壓工作模式之間無(wú)縫轉換。轉換器監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)生變化并迫使轉換器轉換模式時(shí)，LT3942保持穩壓作用，同時(shí)可以在開(kāi)關(guān)對之間智能切換控制。
除了通過(guò)多種PVIN:PVOUT組合來(lái)調節輸出電壓之外，LT3942還可以配置為調節輸入或輸出電流，以用于恒定電流調節應用。來(lái)自ISMON引腳的電流監控反饋提供了一個(gè)與實(shí)測電流成比例的緩沖電壓輸出，從而允許連接的電路監控實(shí)測的電流水平。這種調節電流或電壓的能力使LT3942非常適合用作LED驅動(dòng)器、緊湊型電池充電器、微型太陽(yáng)能電池板供電的轉換器或通用穩壓器。
14 V、1 A LED驅動(dòng)器
圖1顯示了基于LT3942的緊湊型LED驅動(dòng)器的完整評估電路。該解決方案能夠為四個(gè)（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(shí)可降至4 V，非常適合未穩壓的汽車(chē)輸入電源。該解決方案中的LT3942的工作開(kāi)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驅動(dòng)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，可以快速調節輸出電流。當在降壓模式下工作時(shí)，LT3942使用外部PWM源對LED進(jìn)行100 Hz無(wú)閃爍調光，從而實(shí)現高達5000:1的調光比。
如果沒(méi)有外部PWM源，也可以使用其內部PWM調光功能實(shí)現LT3942調光。內部調光提供高達128:1的調光功能，無(wú)需任何外部PWM信號源，僅需一個(gè)電阻即可設置調光頻率，以及一個(gè)直流電壓來(lái)控制輸出電流的占空比。與大多數Power by Linear™的LED驅動(dòng)器一樣，LT3942還具有模擬調光功能，通過(guò)在CTRL引腳上施加直流電壓可提供高達20:1的模擬調光�？梢詫⒛M和PWM調光組合使用，以實(shí)現比單獨使用任何一種方法更高的有效調光比。
圖2.DC2404A利用LT3942創(chuàng )建了一個(gè)緊湊型14 W LED驅動(dòng)器應用，可在寬輸入范圍提供穩定的輸出電流。
圖3.LT3942的高帶寬工作性能有助于LED照明應用在寬動(dòng)態(tài)亮度范圍內實(shí)現高比率PWM調光。無(wú)需EMI濾波器，DC2404A在120 Hz時(shí)可實(shí)現高達4000:1的調光，而在100 Hz時(shí)則可實(shí)現高達5000:1的調光。
展頻用于降低EMI峰值
為了幫助創(chuàng )建一個(gè)低噪聲DC-DC轉換器系統，LT3942內置一個(gè)可選展頻(SSFM)功能。SSFM一旦啟用，會(huì )在由RT電阻設置的值至高達25%的額外開(kāi)關(guān)頻率之間掃描開(kāi)關(guān)頻率。該掃描動(dòng)作可以在寬頻譜范圍內分散由開(kāi)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濾波器結合使用時(shí)，有助于降低寬頻率范圍內的EMI，從而更易于設計符合輻射標準的系統。
12 V、1 A穩壓器
LT3942不只限于驅動(dòng)LED。它是一款功能強大的緊湊型穩壓器，非常適合解決從寬范圍未穩壓電源產(chǎn)生穩定輸出的問(wèn)題。圖4中所示的12 V、1 A穩壓器設計與圖2中的14 W LED驅動(dòng)器解決方案相似，但做了一些小改動(dòng)。與LED驅動(dòng)器應用一樣，穩壓器可以在很寬的輸入電壓范圍內維持輸出調節，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(xiàn)表明，即使工作開(kāi)關(guān)頻率為2 MHz時(shí)，LT3942 12 V穩壓器也具有接近95%的出色峰值效率，而在其大多數輸入電壓范圍內的效率為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調光控制，而且也能在需要電壓調節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(shí)，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，可以將監測電阻移至穩壓器的輸入側，從而為系統提供輸入電流限制和監控。LT3942可從CC模式無(wú)縫轉換為CV模式（反之亦然），確保輸入和/或輸出始終穩定。
圖4.配置為12 W穩壓器的LT3942在寬輸入范圍內具有出色的電壓調節和負載效率特性。
汽車(chē)順序點(diǎn)亮轉向信號和裝飾性照明
在新型豪車(chē)和高性能汽車(chē)上常見(jiàn)的動(dòng)畫(huà)式順序點(diǎn)亮轉向信號燈正在迅速普及，逐步取代傳統的閃爍式指示燈。早期的順序點(diǎn)亮轉向信號的實(shí)現采用多個(gè)降壓轉換器或線(xiàn)性穩壓器為轉向信號燈組中的LED供電，導致解決方案復雜、相對低效且過(guò)于龐大，極大地限制了照明設計的應用領(lǐng)域。減少所需功率IC的數量，使用單個(gè)高效器件，是擴大照明設計人員選擇范圍的明顯方式。
單個(gè)轉換器解決方案需要的器件能夠對各種LED組合（照明設計中會(huì )出現從所有LED點(diǎn)亮到單個(gè)LED點(diǎn)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節。隨著(zhù)動(dòng)畫(huà)燈在連接的LED的各種配置中變化時(shí)，輸入電壓會(huì )高于、低于或等于輸出電壓。這種類(lèi)型的應用需要一個(gè)升壓-降壓轉換器，該轉換器可以智能地選擇工作模式并在工作模式之間無(wú)縫轉換，同時(shí)維持輸出調節。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(huì )出現毛刺。
圖5所示的順序點(diǎn)亮轉向信號設計采用LT3942從汽車(chē)電池以330 mA電流為八個(gè)LED供電，并可選擇為一串琥珀色LED（用于轉向信號燈操作）、一串白色LED（用于日間行車(chē)燈）或其他裝飾性照明（用于前燈/尾燈設計中）供電。
圖5.在順序點(diǎn)亮轉向信號應用中，每次點(diǎn)亮一個(gè)LED，從而迫使DC-DC轉換器迅速適應新的PVIN：PVOUT組合。這對LT3942來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，因為它可在順序點(diǎn)亮轉向模式期間從升壓、降壓-升壓、降壓工作模式無(wú)縫轉換，從而確保在各種模式下維持穩定的LED電流。
微控制器充當用戶(hù)輸入的轉向信號與照明系統之間的接口。這使照明設計人員（或最終用戶(hù)，如果需要的話(huà)）能夠完全控制執行LED動(dòng)畫(huà)順序點(diǎn)亮所需的所有時(shí)序和信號，并且可以控制在任何給定時(shí)間為哪種顏色的LED燈串供電。
在此設計中，在順序點(diǎn)亮模式期間，每次向燈串導入一個(gè)轉向信號LED，以產(chǎn)生轉向信號。當LED由微控制器添加到燈串時(shí)，LT3942維持對輸出電流的調節，以保持一致的光亮度。在所有LED都點(diǎn)亮之后，LT3942停止開(kāi)關(guān)操作，并拉低輸出電壓，使轉換器設置為下一個(gè)順序點(diǎn)亮周期做好準備。當轉向信號未使用時(shí)，微控制器重新連至裝飾照明LED串，并繼續等待轉向信號用戶(hù)輸入，這將兩種照明功能組合到一個(gè)LED驅動(dòng)器解決方案中。
小結
電子設備迫使工程師不斷尋求更小的集成器件，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的空間受限需求。LT3942單芯片降壓-升壓轉換器和LED驅動(dòng)器集成了眾多可節省空間的特性，以解決空間受限的電氣設計難題，同時(shí)不會(huì )犧牲性能。其單芯片設計和2 MHz的工作開(kāi)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設計中。該器件具有高度靈活性，既可以用作恒流調節器，也可以用作恒壓調節器，適合各式各樣的應用。
對于需要低噪聲電源以滿(mǎn)足嚴格EMI要求的設計，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(shí)現緊湊的開(kāi)關(guān)熱環(huán)路。這些特性以及寬輸入范圍，可在設計人員面臨緊湊型電源需求時(shí)，簡(jiǎn)化他們的工作。 |
