MAX20050–MAX20053：2A同步降壓LED驅(qū)動器的全面解析

在汽車外部照明等領(lǐng)域，高亮度LED驅(qū)動器的性能至關(guān)重要。Analog Devices的MAX20050–MAX20053系列2A同步降壓LED驅(qū)動器，憑借其出色的特性和豐富的功能，成為了眾多工程師的首選。下面，我們就來深入了解一下這款驅(qū)動器。

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一、產(chǎn)品概述

MAX20050–MAX20053是專為汽車外部照明應(yīng)用設(shè)計(jì)的高亮度LED（HB LED）驅(qū)動器。它采用了集成MOSFET的全同步降壓轉(zhuǎn)換器，僅需最少的外部組件，就能驅(qū)動串聯(lián)的LED串，最大電流可達(dá)2A。

（一）不同型號的補(bǔ)償方式

MAX20050/MAX20052采用內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償，可減少組件數(shù)量；而MAX20051/MAX20053/MAX20053D則使用外部補(bǔ)償，提供了更大的靈活性。

（二）寬輸入電壓范圍

其輸入電源范圍為4.5V至65V，能夠支持極端的汽車?yán)鋯雍拓?fù)載突降條件。

（三）雙開關(guān)頻率選項(xiàng)

提供400kHz或2.1MHz的低、高開關(guān)頻率選項(xiàng)，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)解決方案的尺寸或效率進(jìn)行優(yōu)化，同時避免AM頻段的干擾。其中，MAX20050/MAX20051的內(nèi)部開關(guān)頻率為400kHz，MAX20052/MAX20053/MAX20053D的內(nèi)部開關(guān)頻率為2.1MHz。

（四）擴(kuò)頻功能

擴(kuò)頻功能為設(shè)計(jì)師提供了在系統(tǒng)層面降低EMI的更多選擇，但MAX20051B禁用了擴(kuò)頻功能。

（五）其他特性

• 高端電流調(diào)節(jié)：僅需與LED串進(jìn)行單連接，LED串可在本地接地。
• 調(diào)光方式：除了PWM調(diào)光，還可通過REFI引腳進(jìn)行模擬調(diào)光。
• 電流調(diào)節(jié)精度：滿量程電流調(diào)節(jié)精度為±2.5%，在-40°C至+125°C的全溫度范圍內(nèi)，10%滿量程時的精度為±8%。
• 5V LDO輸出：提供5V、10mA的LDO輸出，可為其他電路提供偏置。
• 故障保護(hù)機(jī)制：具備輸出過載、短路和設(shè)備過溫保護(hù)功能。
• 多種封裝形式：有12引腳（3mm x 3mm）TDFN、14引腳（5mm x 4.4mm）TSSOP和24引腳TQFN（4mm x 4mm）等封裝形式可供選擇，且均帶有外露焊盤，有助于散熱。

二、絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。MAX20050–MAX20053的絕對最大額定值包括輸入電壓、連續(xù)電流、功率耗散等參數(shù)，以下是一些關(guān)鍵信息：

（一）電壓參數(shù)

• IN至AGND：-0.3V至+70V（部分型號為-0.3V至40V）
• PGND至AGND：-0.3V至+0.3V
• CS+、CS-、LX至AGND：-0.3V至(IN + 0.3V)
• BST至AGND：-0.3V至+75V（部分型號為-0.3V至45V）
• BST至LX：-0.3V至+6V
• PWM、FLT至AGND：-0.3V至+6V
• VCC至AGND：-0.3V至MIN(+6V, IN + 0.3V)
• COMP、REFI至AGND：-0.3V至VCC + 0.3V
• CS+至CS-：-0.3V至+ 0.3V

（二）電流參數(shù)

• LX上的連續(xù)電流：2.1A
• 不同封裝形式下IN引腳的連續(xù)電流：TDFN為1.6A，TQFN為1.8A，TSSOP為2.1A

（三）其他參數(shù)

• 短路持續(xù)時間：VCC引腳可連續(xù)短路
• 連續(xù)功率耗散：不同封裝形式在TA = +70°C時的功率耗散不同，且需根據(jù)溫度進(jìn)行降額處理
• 工作溫度范圍：-40oC至+125oC
• 結(jié)溫：+150oC
• 存儲溫度范圍：-65oC至+150oC
• 焊接溫度：回流焊為+260oC，引腳焊接（10s）為+300oC

三、電氣特性

電氣特性是評估器件性能的重要依據(jù)。在(V{IN}=12 ~V)、(V{REFI}=1.2 ~V)、(V{PWM}=V{CC})、(T{A}=T{J}=-40^{circ} C)至+125°C（典型值在(T_{A}=+25^{circ} C)）的條件下，MAX20050–MAX20053的電氣特性涵蓋了輸入電源電壓、VCC調(diào)節(jié)器、REFI輸入、電流感測等多個方面。

（一）輸入電源電壓

輸入電源電壓范圍為4.5V至65V（部分型號為4.5V至36V），IN引腳的欠壓鎖定和滯后特性也有明確規(guī)定。

（二）VCC調(diào)節(jié)器

提供穩(wěn)定的5V輸出，可支持最大10mA的負(fù)載。在不同的輸入電壓和負(fù)載電流條件下，VCC的輸出電壓和相關(guān)參數(shù)（如壓差、短路電流、欠壓鎖定等）都有相應(yīng)的指標(biāo)。

（三）REFI輸入

REFI輸入電壓范圍為0.2V至1.2V，可用于模擬調(diào)光。當(dāng)REFI電壓超過1.2V時，會被鉗位。此外，還規(guī)定了REFI的零電流閾值、鉗位電壓、輸入偏置電流等參數(shù)。

（四）電流感測

包括共模輸入范圍、差分信號范圍、CS+和CS-的輸入偏置電流等參數(shù)，這些參數(shù)對于準(zhǔn)確感測LED電流至關(guān)重要。

（五）其他特性

還涉及到開關(guān)頻率、最小導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間、擴(kuò)頻范圍、PWM輸入頻率和延遲、故障輸出等特性，這些特性共同保證了器件的正常運(yùn)行和可靠性能。

四、典型工作特性

通過典型工作特性曲線，我們可以直觀地了解器件在不同條件下的性能表現(xiàn)。這些特性曲線包括效率與LED電流的關(guān)系、VCC電壓調(diào)節(jié)與溫度的關(guān)系、最小導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間與溫度的關(guān)系等。

（一）效率與LED電流

不同輸入電壓和型號下，效率隨LED電流的變化曲線可以幫助我們選擇合適的工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的效率。

（二）VCC電壓調(diào)節(jié)

VCC電壓在不同溫度和輸入電壓下的調(diào)節(jié)特性，確保了為其他電路提供穩(wěn)定的偏置電壓。

（三）最小導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間

最小導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間與溫度的關(guān)系，對于設(shè)計(jì)電路的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度具有重要意義。

五、引腳配置和描述

MAX20050–MAX20053有多種封裝形式，每種封裝的引腳配置和功能都有詳細(xì)的說明。以下是一些主要引腳的功能：

（一）PGND

功率接地引腳，是內(nèi)部低側(cè)功率MOSFET的源極連接點(diǎn)。

（二）IN

電源輸入引腳，必須使用至少1μF的電容在本地進(jìn)行旁路，以減少輸入電壓的紋波。

（三）CS+和CS-

電流感測正、負(fù)引腳，用于感測LED電流。通過連接合適的電流感測電阻，可以精確控制LED電流。

（四）PWM

邏輯電平調(diào)光輸入引腳，可用于PWM調(diào)光。當(dāng)該引腳為低電平時，電流調(diào)節(jié)器關(guān)閉；當(dāng)為高電平時，LED電流由器件控制。如果PWM信號低電平持續(xù)時間超過210ms，器件將進(jìn)入關(guān)斷模式。

（五）FLT

開漏故障輸出引腳，用于指示輸出是否存在開路或短路故障。

（六）COMP

補(bǔ)償輸出引腳（僅MAX20051/MAX20053有），需要連接外部RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償。

（七）AGND

模擬接地引腳，是所有控制電路的接地端。

（八）REFI

模擬調(diào)光控制輸入引腳，通過連接0至1.2V的模擬電壓，可實(shí)現(xiàn)LED電流的模擬調(diào)光。

（九）VCC

5V調(diào)節(jié)器輸出引腳，為其他電路提供穩(wěn)定的5V偏置電壓。需要使用至少1μF的陶瓷電容旁路至AGND。

（十）BST

高端柵極驅(qū)動電源引腳，需連接0.1μF的陶瓷電容至LX引腳，為高端開關(guān)MOSFET提供驅(qū)動電壓。

（十一）LX

開關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳，連接內(nèi)部高端開關(guān)MOSFET的源極和低側(cè)同步開關(guān)MOSFET的漏極，同時連接輸出電感和升壓電容。

六、詳細(xì)工作原理

（一）功能操作

MAX20050–MAX20051是單片式、恒定頻率平均電流模式降壓DC - DC LED驅(qū)動器。內(nèi)部振蕩器設(shè)置開關(guān)頻率，MAX20050/MAX20051為400kHz，MAX20052/MAX20053為2.1MHz。擴(kuò)頻功能可改善LED驅(qū)動器在高頻下的EMI性能。

在每個時鐘周期開始時，振蕩器開啟內(nèi)部頂部功率開關(guān)，電感電流增加，直到內(nèi)部PWM比較器觸發(fā)并關(guān)閉頂部功率開關(guān)。頂部開關(guān)的關(guān)斷占空比由內(nèi)部PWM比較器控制，該比較器將誤差放大器的輸出與鋸齒波斜坡進(jìn)行比較。誤差放大器是一個跨導(dǎo)放大器，將模擬控制電壓REFI與放大的電流感測信號進(jìn)行比較。

當(dāng)頂部功率開關(guān)關(guān)閉時，底部同步功率開關(guān)開啟，直到下一個時鐘周期開始。電流感測信號通過與輸出電感串聯(lián)的電流感測電阻獲得，放大后輸入誤差放大器和比較器。如果放大后的電流感測信號超過300mV，頂部開關(guān)將立即關(guān)閉。

（二）PWM調(diào)光

PWM調(diào)光輸入用于對LED電流進(jìn)行PWM調(diào)光。當(dāng)該信號為低電平時，頂部和底部開關(guān)均關(guān)閉；當(dāng)信號為高電平時，電感電流由器件控制。PWM信號的上升沿可重啟內(nèi)部振蕩器，確保在低調(diào)光占空比下具有一致的調(diào)光性能。如果PWM信號低電平持續(xù)時間超過200ms，器件將進(jìn)入關(guān)斷模式，此時靜態(tài)電流降至5μA（輸入為12V時）。

（三）故障保護(hù)

器件具有故障標(biāo)志，用于指示輸出的開路或短路故障。熱關(guān)斷功能可在高溫時關(guān)閉器件，保護(hù)其免受損壞。

（四）模擬調(diào)光

通過REFI引腳進(jìn)行模擬調(diào)光，當(dāng)(V{REFI} ≤1.2 ~V)時，REFI電壓設(shè)置LED電流水平；當(dāng)(V{REFI}>1.2 ~V)時，REFI被鉗位。

七、應(yīng)用信息

（一）編程LED電流

可以通過兩種方式編程LED電流：

• 當(dāng)REFI電壓大于1.3V時，內(nèi)部參考將RCS兩端的電壓調(diào)節(jié)為220mV，LED電流(I{LED}=frac{0.220}{R{CS}})。
• 當(dāng)(V{REFI } ≤1.2 ~V)時，可通過REFI電壓進(jìn)行模擬調(diào)光，LED電流(I{LED }=frac{left(V{REFI }-0.2right)}{left(5 × R{CS}right)})。

（二）電感選擇

電感的選擇取決于峰值電感電流、開關(guān)頻率和允許的電感電流紋波。較高的開關(guān)頻率可降低電感要求，但會降低效率。對于不同的輸入電壓和型號，建議的電感值范圍不同。

（三）輸入和輸出電容

• 輸入電容：由于降壓轉(zhuǎn)換器的不連續(xù)輸入電流波形，需要使用低ESR、高紋波電流能力的陶瓷電容進(jìn)行旁路，推薦使用1μF的陶瓷電容。
• 輸出電容：其作用是將輸出紋波降低到可接受的水平?？筛鶕?jù)公式(C{OUT }=frac{left(left(V{IN _MIN }-V{LED }right) × V{LED }right)}{left(Delta V{R} × 2 × L × V{IN _M A X} × f_{SW }^{2}right)})計(jì)算輸出電容值，不同應(yīng)用場景下建議的輸出電容范圍也不同。

（四）補(bǔ)償

MAX20050/MAX20052具有內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償，而MAX20051/MAX20053需要外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)需要考慮高側(cè)電流感測放大器引入的高頻極點(diǎn)，通過合理設(shè)置補(bǔ)償電阻和電容，可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（五）LED電流降額

對于高電流LED，需要根據(jù)工作溫度對最大電流進(jìn)行降額，以防止LED損壞?？梢酝ㄟ^連接熱敏電阻到REFI引腳，根據(jù)溫度變化調(diào)整REFI電壓，從而實(shí)現(xiàn)LED電流的降額。

（六）特殊應(yīng)用

• 高峰值電流、低占空比應(yīng)用：可用于需要峰值電流高達(dá)5A、低占空比的應(yīng)用，但需要在LX和PGND引腳之間添加3A肖特基二極管。
• 低調(diào)光頻率應(yīng)用：為防止IC在低PWM調(diào)光頻率下進(jìn)入關(guān)斷模式，可每隔100ms發(fā)送一個20ns至100ns的窄PWM脈沖。

（七）PCB布局

為確保器件的正常運(yùn)行和最小化EMI，PCB布局應(yīng)遵循以下原則：

• 輸入電容環(huán)路應(yīng)盡可能小，將電容靠近IN和PGND引腳放置。
• 在靠近電感、器件、輸入和輸出電容的層放置完整的接地平面。
• 減小LX和BST節(jié)點(diǎn)的表面積，以減少輻射。
• 將外露焊盤連接到大面積接地平面，以提高散熱性能。
• 使電流感測線（CS+和CS-）盡可能靠近，避免與功率電路交叉，并使用接地平面層將其與功率走線隔開。
• 在不同層使用單獨(dú)的AGND和PGND接地平面，并在靠近輸入旁路電容的單點(diǎn)連接。
• 使用2oz或更厚的銅，以降低走線電感和電阻。
• 將電容C3靠近BST和LX引腳放置。

八、訂購信息

MAX20050–MAX20053有多種型號可供選擇，每個型號的輸入電源范圍、開關(guān)頻率、補(bǔ)償方式和引腳封裝都有所不同。在訂購時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的型號。同時，要注意“E”變體是新設(shè)計(jì)的推薦選擇，且部分型號后綴帶有“/V”表示汽車級合格產(chǎn)品，“+”表示無鉛/符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的封裝。

總結(jié)

MAX20050–MAX20053系列2A同步降壓LED驅(qū)動器以其豐富的功能、出色的性能和靈活的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，為汽車外部照明等應(yīng)用提供了可靠的解決方案。通過深入了解其特性、工作原理和應(yīng)用信息，工程師可以更好地利用這款驅(qū)動器，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的LED照明電路。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體的需求進(jìn)行合理的選擇和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的最佳性能。你在使用這款驅(qū)動器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。