LT3922：高性能同步升壓 LED 驅(qū)動器的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，選擇一款合適的 LED 驅(qū)動器至關(guān)重要。ADI 公司的 LT3922 同步升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為了眾多工程師在設(shè)計 LED 驅(qū)動電路時的理想選擇。下面，我們就來詳細(xì)了解一下 LT3922 的特性、工作原理、應(yīng)用以及相關(guān)設(shè)計要點(diǎn)。

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一、LT3922 的特性亮點(diǎn)

精準(zhǔn)的電流和電壓調(diào)節(jié)

LT3922 具備 ±2.5% 的 LED 電流調(diào)節(jié)精度和 ±2% 的輸出電壓調(diào)節(jié)精度，能夠?yàn)?LED 提供穩(wěn)定、精準(zhǔn)的電流和電壓，確保 LED 發(fā)光的穩(wěn)定性和一致性。這對于對光照質(zhì)量要求較高的應(yīng)用場景，如汽車和工業(yè)照明、機(jī)器視覺等，尤為重要。

出色的調(diào)光性能

它支持 5000:1 的 PWM 調(diào)光（100Hz）和 128:1 的內(nèi)部 PWM 調(diào)光，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的亮度調(diào)節(jié)，滿足不同場景下的光照需求。無論是需要高亮度照明的工業(yè)環(huán)境，還是需要低亮度氛圍照明的場所，LT3922 都能輕松應(yīng)對。

低 EMI 設(shè)計

采用 Spread Spectrum Frequency Modulation（擴(kuò)頻頻率調(diào)制）和 Silent Switcher? 架構(gòu)，有效降低了電磁干擾（EMI）。在當(dāng)今對電磁兼容性要求越來越高的電子設(shè)備中，這一特性能夠減少對其他設(shè)備的干擾，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

寬輸入電壓范圍和多模式工作

支持 2.8V 至 36V 的輸入電壓范圍，并且可以在升壓、降壓和降壓 - 升壓模式下工作，適應(yīng)不同的電源環(huán)境和負(fù)載需求。這使得 LT3922 在各種應(yīng)用場景中都具有很強(qiáng)的通用性。

完善的保護(hù)功能

具備開路/短路 LED 保護(hù)和故障指示功能，能夠及時檢測并處理 LED 出現(xiàn)的故障情況，保護(hù)驅(qū)動器和 LED 不受損壞。同時，還具有熱關(guān)斷功能，當(dāng)芯片溫度過高時自動停止工作，確保系統(tǒng)的安全性。

二、工作原理剖析

LT3922 采用固定頻率峰值電流控制方法，通過精確調(diào)節(jié)功率開關(guān)的占空比，來準(zhǔn)確控制通過 LED 串的電流。其內(nèi)部包含兩個功率開關(guān)、它們的驅(qū)動器以及一個為頂部開關(guān)驅(qū)動器供電的二極管。在每個開關(guān)周期開始時，可編程振蕩器開啟底部開關(guān)，使電感電流上升。當(dāng)電感電流超過 (V_{C}) 引腳電壓設(shè)定的目標(biāo)值時，峰值電流比較器關(guān)閉底部開關(guān)，電感電流下降。

LED 電流由 CTRL 引腳的電壓編程設(shè)定。模擬 - 數(shù)字檢測器和控制緩沖器將 CTRL 引腳的直流電壓或脈沖占空比轉(zhuǎn)換為電流調(diào)節(jié)放大器的輸入，該放大器將實(shí)際 LED 電流與期望電流進(jìn)行比較，并相應(yīng)地調(diào)整 (V_{C}) 引腳的電壓。

當(dāng) FB 引腳電壓高于內(nèi)部 1.2V 參考電壓時，電壓調(diào)節(jié)放大器會覆蓋電流調(diào)節(jié)放大器，通過外部電阻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測 LED 串電壓，防止 LED 串過壓。

此外，ISP、ISN 和 FB 引腳電壓還用于檢測開路和短路等故障情況，當(dāng)檢測到故障時，F(xiàn)AULT 引腳會被拉低以報告故障。同時，通過連接到 SS 引腳的外部電阻，可以選擇故障響應(yīng)方式，如打嗝重啟或鎖存關(guān)閉。

三、應(yīng)用信息及設(shè)計要點(diǎn)

編程 LED 電流

LT3922 主要通過 CTRL 引腳來調(diào)節(jié) LED 串中的電流。LED 電流需通過一個串聯(lián)電流檢測電阻，電流調(diào)節(jié)放大器通過 ISP 和 ISN 引腳檢測該電阻兩端的電壓，并將其調(diào)節(jié)到由 CTRL 引腳編程設(shè)定的水平。當(dāng)使用 100mΩ 電流檢測電阻時，可編程的最大電阻電壓為 100mV，對應(yīng)通過 LED 串的電流為 1A。

CTRL 引腳既可以連接到 (V_{REF}) 引腳（提供精確的 2V 參考電壓）以實(shí)現(xiàn)最大電流，也可以使用 250mV 至 1.25V 的直流電壓來編程較低的電流水平。此外，CTRL 引腳還能接收數(shù)字脈沖信號，其高電平需大于 1.6V，低電平需小于 0.4V，頻率需在 10kHz 至 200kHz 之間，LED 電流將隨脈沖占空比變化。

為了在 LED 溫度升高時降低電流，可以在 (V_{REF}) 到 CTRL 的網(wǎng)絡(luò)中使用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻。

設(shè)置開關(guān)頻率

開關(guān)頻率由連接在 RT 引腳和 GND 之間的電阻編程設(shè)定。從 45.3k 到 499k 的 (R_{T}) 電阻值可以將開關(guān)頻率從 2MHz 調(diào)整到 200kHz。較高的頻率允許使用更小的外部組件，但會增加開關(guān)功率損耗和輻射 EMI；較低的頻率則相反。

同步開關(guān)頻率

開關(guān)頻率也可以同步到連接到 SYNC/SPRD 引腳的外部時鐘。外部時鐘的高電平必須至少為 1.5V，頻率需在 200kHz 至 2MHz 之間。在這種情況下，仍然需要 RT 電阻，其阻值應(yīng)對應(yīng)外部時鐘的頻率。如果外部時鐘停止，LT3922 將依靠 (R_{T}) 電阻來設(shè)置頻率。

啟用擴(kuò)頻頻率調(diào)制

將 SYNC/SPRD 連接到 (INTV _{CC}) 可以啟用擴(kuò)頻頻率調(diào)制（SSFM），開關(guān)頻率將在由 RT 電阻設(shè)置的頻率和該頻率的 125% 之間變化，從而有效降低電磁干擾。如果不需要同步或 SSFM 功能，應(yīng)將 SYNC/SPRD 連接到 GND。

選擇電感

LT3922 在整個占空比內(nèi)將電感峰值電流限制在最小 2A，且無次諧波振蕩。因此，選擇電感值時，必須確保在所需的輸入電壓范圍內(nèi)，電感峰值電流低于該限制。例如，在輸出為 30V、LED 電流為 300mA、輸入范圍為 8V 至 25V、開關(guān)頻率為 2MHz 的應(yīng)用中，根據(jù)相關(guān)公式計算，假設(shè)效率為 90%，最小電感值約為 2μH。同時，應(yīng)選擇具有低磁芯損耗和低直流電阻的電感，并且能夠承受電感峰值電流而不飽和。為了減少輻射噪聲，建議使用屏蔽電感。

選擇輸入電容

輸入電容用于提供電感紋波電流和 PWM 調(diào)光操作中產(chǎn)生的瞬態(tài)電流。一般來說，一個 10μF 的陶瓷電容足以提供這些非穩(wěn)態(tài)電流，應(yīng)將其放置在靠近電感的位置。如果可能，還可以在 (VIN) 引腳附近放置一個額外的 1μF 陶瓷電容，以提高抗噪能力。建議使用 X7R 陶瓷電容，因?yàn)樗鼈冊趯掚妷汉蜏囟确秶鷥?nèi)通常能更好地保持電容值。

如果輸入電源具有高阻抗，或者由于長導(dǎo)線或電纜存在顯著電感，則可能需要額外的大容量電解電容。低 ESR 的陶瓷輸入電容與電流路徑中的寄生電感可能會形成高 Q 值的 LC 諧振電路，導(dǎo)致電容電壓升高至輸入電壓的兩倍。而較高 ESR 的電解電容可以最小化這種諧振現(xiàn)象。

穩(wěn)定調(diào)節(jié)環(huán)路

LT3922 使用內(nèi)部誤差放大器將 LED 電流和輸出電壓調(diào)節(jié)到用戶編程的值。誤差放大器的輸出阻抗和連接到 (V{C}) 引腳的外部補(bǔ)償電容 (C{C}) 構(gòu)成控制環(huán)路的主導(dǎo)極點(diǎn)。與 (C{C}) 串聯(lián)的補(bǔ)償電阻 (R{C}) 形成左半平面（LHP）零點(diǎn)，有助于在瞬態(tài)操作期間更好地調(diào)節(jié) LED 電流和輸出電壓。對于大多數(shù) LED 應(yīng)用，(C{C}) 和 (R{C}) 的初始值可以分別選擇 1nF 和 10k。

選擇和放置輸出電容

輸出電容需要具有非常低的 ESR，以減少輸出紋波。將多個低 ESR 的陶瓷電容并聯(lián)是降低 ESR 的有效方法。在升壓轉(zhuǎn)換器中，這些輸出電容的紋波電流額定值應(yīng)大于 SW 引腳最大電流的一半。同樣建議使用 X7R 陶瓷電容。

為了充分利用 LT3922 降低 EMI 噪聲的特性，(Vout) 應(yīng)使用三個電容進(jìn)行旁路。(COUT1) 和 (C{OUT2}) 為 0402 - 0.47μF 的陶瓷電容，應(yīng)盡可能靠近 LT3922 的 (V{OUT }) 和 GND 引腳放置；(COUT3) 應(yīng)選擇尺寸和值較大的電容，典型應(yīng)用中推薦使用 1206 - 4.7μF 的陶瓷電容。

選擇用于 PWM 調(diào)光的 MOSFET

PWM 調(diào)光通過控制 LED 電流的脈沖寬度來調(diào)節(jié)亮度，同時不改變光的顏色，并且可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的亮度調(diào)節(jié)。LT3922 的 PWMTG 驅(qū)動器專為高壓 PMOS 開關(guān)設(shè)計，用于對 LED 串進(jìn)行有效的 PWM 調(diào)光。

選擇 PMOS 時，其漏源電壓額定值應(yīng)大于最大輸出電壓，以防止在 LED 串開路時因輸出電壓升高而損壞器件。大多數(shù)情況下，柵源電壓額定值應(yīng)至少為 10V，但當(dāng)最大輸出電壓始終小于 10V 時，該額定值只需等于或大于輸出電壓即可。此外，PMOS 的漏極電流額定值必須超過編程的 LED 電流，在滿足這些條件的前提下，主要考慮的電氣參數(shù)是導(dǎo)通電阻。

選擇用于內(nèi)部 PWM 調(diào)光的 RP 電阻

如果 RP 引腳連接到 GND，則 PWM 引腳的外部脈沖寬度調(diào)制信號將控制 LED 負(fù)載的 PWM 調(diào)光。當(dāng)外部 PWM 信號不可用時，LT3922 可以通過 RP 引腳的電阻設(shè)置內(nèi)部 PWM 信號的頻率，并通過 PWM 引腳的直流電壓設(shè)置占空比，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部 PWM 調(diào)光。RP 電阻應(yīng)選擇表中列出的七個值之一，每個值對應(yīng)一個獨(dú)特的 PWM 頻率與開關(guān)頻率的比值。

使用內(nèi)部 PWM 信號時，應(yīng)將 PWM 引腳的電壓設(shè)置在 1V 至 2V 之間。當(dāng) PWM 電壓低于 1V 時，PWMTG 驅(qū)動器關(guān)閉；當(dāng)高于 2V 時，驅(qū)動器開啟。在 1V 至 2V 之間，有 128 個均勻間隔的閾值，對應(yīng) 0% 至 100% 的離散 PWM 占空比。為了穩(wěn)定電壓，應(yīng)在 PWM 引腳附近放置一個 1μF 的陶瓷電容接地。

監(jiān)測 LED 電流

ISMON 引腳提供了對 ISP 和 ISN 引腳之間電壓的放大和緩沖監(jiān)測，內(nèi)部放大器的增益為 10，速度足以跟蹤脈沖寬度調(diào)制的 LED 電流。通過一個電阻 - 電容網(wǎng)絡(luò)對 ISMON 電壓進(jìn)行濾波，可以監(jiān)測平均 LED 電流。電阻應(yīng)至少為 10k，電容的大小可以根據(jù)需要選擇，而不會影響內(nèi)部放大器的穩(wěn)定性。

選擇 FB 電阻

在輸出電壓和 FB 引腳之間應(yīng)選擇兩個電阻形成一個網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的一部分。當(dāng) FB 引腳電壓接近 1.2V 時，LT3922 將覆蓋編程的 LED 電流，調(diào)整電感電流以降低輸出電壓，并將 FB 引腳電壓限制在 1.2V。因此，該電阻配置決定了最大輸出電壓。

通過這種方式，LT3922 也可以配置為電壓調(diào)節(jié)器。為了避免干擾電流調(diào)節(jié)，應(yīng)選擇反饋電阻，使得在 LED 導(dǎo)通時 FB 引腳電壓低于 1.14V。

理解 FB 過壓鎖定

盡管有電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，但 FB 引腳電壓仍可能暫時超過 1.2V 限制。當(dāng) LED 串開路且輸出電壓接近最大值時，反饋環(huán)路可能需要較長時間來調(diào)整電感電流，從而導(dǎo)致輸出過充。為了快速響應(yīng)過壓情況，當(dāng) FB 引腳電壓超過 1.266V 的 FB 過壓鎖定閾值時，LT3922 將立即停止開關(guān)操作，關(guān)閉外部 PMOS 開關(guān)，斷開 LED 串。

在 LT3922 作為電壓調(diào)節(jié)器運(yùn)行時，如果負(fù)載電流迅速減小，F(xiàn)B 過壓鎖定閾值可能會經(jīng)常被超過。此時，開關(guān)暫?？梢韵拗戚敵鲞^沖，并確保電壓盡快恢復(fù)到調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。為了安全運(yùn)行，應(yīng)選擇 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 的值，以確保當(dāng) FB 引腳電壓為 1.266V 時，輸出電壓不大于 40V。

開路 LED 故障檢測和響應(yīng)

由 (R{FB 1}) 和 (R{FB 2}) 形成的電阻網(wǎng)絡(luò)還定義了開路 LED 故障條件的判斷標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng) FB 引腳電壓大于 1.14V，同時 ISP 和 ISN 引腳之間的電壓差小于 10mV 時，檢測到開路 LED 故障。故障發(fā)生時，內(nèi)部器件將 FAULT 引腳電壓拉低，由于內(nèi)部沒有上拉電路，因此需要在 (INTV _{CC}) 和 FAULT 引腳之間連接一個外部電阻。這種配置允許多個 FAULT 引腳和其他類似引腳連接并共享一個電阻。

短路 LED 故障檢測和響應(yīng)

LT3922 通過三種檢測方案來防止可能損壞 LED 和驅(qū)動器的過大電流：

1. ((V{ISP } - V{ISN }) > 150 mV) 持續(xù)超過 300μs；
2. ((V{ISP } - V{ISN }) > 700 mV)（典型值）；
3. (V{OUT } < (V{IN } - 2 V))。

如果檢測到任何一種情況，LT3922 將立即停止開關(guān)操作，關(guān)閉外部 PMOS PWM 開關(guān)，拉低 FAULT 引腳，并使用 SS 引腳啟動故障響應(yīng)程序。FAULT 引腳將保持低電平，直到器件成功重啟。

軟啟動和故障模式

SS 引腳具有兩個功能。首先，它允許用戶通過連接外部電容 (C{SS}) 到 GND 來編程輸出啟動電壓的上升速率。內(nèi)部 20μA 電流將 SS 引腳電壓拉向 (INTV {CC})，產(chǎn)生一個線性上升的電壓。該電壓迫使 LT3922 調(diào)節(jié) FB 引腳電壓以跟蹤 SS 引腳電壓，直到 (V_{OUT }) 足夠高，能夠以命令的電流水平驅(qū)動 LED。

其次，SS 引腳還用作故障定時器。在檢測到短路 LED 故障后，內(nèi)部 2μA 電流將 SS 引腳電壓拉低。用戶可以通過是否使用從 SS 引腳到 (INTV {CC}) 的上拉電阻 (R{SS}) 來配置兩種不同的故障響應(yīng)模式：鎖存關(guān)閉和打嗝模式。使用 470k 或更小的 (R{SS}) 時，LT3922 將鎖存關(guān)閉，直到用戶通過切換 EN/UVLO 引腳強(qiáng)制復(fù)位；不使用 (R{SS}) 時，LT3922 進(jìn)入打嗝模式，2μA 電流將 SS 引腳電壓拉低至 0.2V，此時 20μA 上拉電流再次開啟，將 SS 引腳電壓升高。如果在 SS 引腳電壓達(dá)到 1.7V 時故障條件仍未消除，2μA 下拉電流源將再次開啟，開始另一個循環(huán)，直到故障清除。典型的 (C_{SS}) 值為 10nF。

編程 EN/UVLO 和 OVLO 閾值

當(dāng) EN/UVLO 引腳電壓低于 1.33V 或 OVLO 引腳電壓高于 1.205V 時，LT3922 將停止開關(guān)操作，禁用 PWMTG 驅(qū)動器，并重置軟啟動?？梢允褂猛獠侩妷涸丛O(shè)置 EN/UVLO 和 OVLO 引腳的電壓，以啟用或禁用 LT3922。也可以在 (V{IN }) 和這些引腳之間放置電阻網(wǎng)絡(luò)，以設(shè)置 (V{IN }) 電壓的工作范圍。

熱關(guān)斷規(guī)劃

當(dāng)內(nèi)部溫度過高時，LT3922 會自動停止開關(guān)操作。溫度限制保證高于器件的正常工作溫度。在熱關(guān)斷期間，所有開關(guān)操作停止，SS 引腳被強(qiáng)制拉低，通過 PWMTG 驅(qū)動器斷開 LED。為了有效散熱，封裝底部的暴露焊盤必須焊接到接地平面，并在封裝正下方放置過孔。

印刷電路板（PCB）設(shè)計

在 PCB 設(shè)計中，應(yīng)盡量減小 LT3922 輸出電容 (C{OUT1 }) 和 (C{OUT2 }) 旁路大開關(guān)電流的回路面積，以降低 EMI。輸出電容、電感和輸入電容應(yīng)放置在 PCB 的同一側(cè)，并在該層進(jìn)行連接。

為了提高電流調(diào)節(jié)精度，應(yīng)創(chuàng)建一個 Kelvin 接地網(wǎng)絡(luò)，將其他組件的接地連接與輸入和輸出電容的接地以及 LED 電流的返回路徑分開，僅在暴露焊盤處連接。

此外，在第二層設(shè)置一個完整的接地平面可以散熱并減少噪聲。最小化 SW 和 BST 節(jié)點(diǎn)的面積也有助于降低噪聲。FB 和 (V{C}) 引腳的走線應(yīng)盡量短，以減少這些高阻抗節(jié)點(diǎn)對噪聲的敏感性。外部電流檢測電阻到 ISP 和 ISN 引腳的匹配 Kelvin 連接對于電流調(diào)節(jié)精度至關(guān)重要。(INTV CC) 的 2.2μF 電容、(V{REF}) 的 1μF 電容以及 BST 的 33nF 電容應(yīng)盡可能靠近各自的引腳放置。對于直流輸入節(jié)點(diǎn)，如 (VIN)、CTRL 和 PWM（用于內(nèi)部 PWM），應(yīng)使用旁路電容來減少噪聲。同時，應(yīng)保持 RT 和 RP 節(jié)點(diǎn)較小，并遠(yuǎn)離噪聲信號。最后，在 PWMTG MOSFET 的漏極