PT4121应用说明
产品功能:50V降压型，高亮度恒流控制器
常规应用
DC输入：12V/24V
DC输出：10V/3A、10V/6A
文件编号:PT4121_AN01
文件下载：
PT4121_AN01_Rev_CH1.0 20150731.pdf
版本 1.0
PT4121产品概况
PT4121特点
●很宽的输入电压范围：6V到50V
●效率高达97%
●3%的输出电流精度
●复用DIM引脚进行LED开关、模拟调光与PWM调光
●RCS开路保护
●LED开短路保护
●热关断保护
●SOT23-6封
PT4121概述
PT4121是一款工作在连续电感电流导通模式的降压型恒流控制器，用于驱动一颗或多颗串联LED，输出电流精度高达3%。PT4121输入电压范围从6V到50V，输出电流可调。其采用高端电流采样电阻设置LED平均电流，并通过DIM引脚进行模拟调光和PWM调光。
PT4121典型应用电路
VIN=24V，Vout=10V，Iout=3A BOM List
|
Item
| Reference
| Value
| Quantity
| Description
| Manufacturer
|
1
| C1、C2
| 10µF
| 2
| CAP SMD 50V 10µF M 1210
| Murata
|
| 2 | C6
| 0.1µF
| 1 | CAP SMD 50V 0.1µF M 0805
| Murata
|
| 3 | C2
| NC
|
|
|
|
| 4 | C3
| 1µF
| 1 | CAP SMD 10V 1µF K X7R 0805
| Murata
|
| 5 | C4
| 2.2µF
| 1 | CAP SMD 25V 2.2µF K X7R 1206
| Murata
|
| 6 | R1
| 0.2Ω
| 1 | RES SMD 1W 0.2ohm F 2512
| Yageo
|
| 7 | R2
| 0.1Ω
| 1 | RES SMD 1W 0.1ohm F 2512
| Yageo
|
| 8 | R3、 R4
| 0
| 1 | RES SMD 1/8W 0ohm F 0805
| Yageo
|
| 9 | L1
| 33µH
| 1 | Inductor 33µH 4A 12*12*6.0
| Coilcraft
|
| 10 | D1
| SBR8U60P5
| 1 | Diode Schottky POWERDI5 60V 8A
| Diodes inc.
|
| 11 | Q1
| AOD444
| 1 | TO252 NMOS 60V 12A
| ALPHA&OMEGA
|
| 12 | U1
| PT4121
| 1 | IC PT4121 SOT23-6
| Powtech |
PT4121工作原理介绍
PT4121和电感（L）、电流采样电阻（RS）、MOSFET形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压型恒流LED控制器。
VIN上电时，电感（L）和电流采样电阻（RS）的初始电流为零，LED输出电流也为零。这时候，CS比较器的输出为高，功率开关导通，电流通过电感（L）、电流采样电阻（RS）、LED和功率开关从VIN流到地，电流上升的斜率由VIN、电感（L）和LED压降决定，在RS上产生一个压差VCSN， 当(VIN-VCSN) > 230mV时，CS比较器的输出变低，功率开关关断，电流以另一个斜率流过电感（L）、电流采样电阻（RS）、LED和肖特基二极管（D），当(VIN-VCSN)< 170mV时，功率开关重新打开，这样使得在LED上的平均电流为
关键元件参数设计
PT4121输出电流的设置
上述等式成立的前提是DIM端悬空或外加DIM端电压高于2.5V（但必须低于5V）。实际上，RS是设定了LED的最大输出电流，通过DIM端，LED实际输出电流能够调小到任意值。
高端电流采样结构使得外部元器件数量很少，采用1%精度的采样电阻，LED输出电流控制在±3%的精度。
PT4121的VCC电容的选择
PT4121的VCC电压为5V，推荐典型耐压值为10V，1μF，X5R或X7R的瓷片电容。当输出电流很大时，为防止VCC出现欠压导致驱动能力不足，可以适当加大VCC电容来增强栅极驱动能力。
PT4121外置MOSFET的选择
PT4121的Gate输出端需驱动一个外置的NMOS管，MOS管的选型主要需要考虑额定电压、额定电流、导通电阻、Qg、VGS(th)等。
①Qg 当开关频率≤100KHz时，推荐选择Qg≤25nC的MOSFET；当开关频率≥100KHz时，推荐选择Qg≤15nC的MOSFET。
②额定电压 针对输入电压为12V或者24V的应用，额定电压为60V的MOSFET可以满足要求。
③VGS(th)栅极驱动电压为5V，MOS管开启阈值VGS(th)需要小于5V，为了留有充足的裕量，VGS(th)建议选取2~3V。
④导通电阻 输出大电流条件下，为降低导通损耗提高效率，MOS管的导通电阻Rdson建议选择小于50mΩ(TA=25℃)。
⑤额定电流 输出电流小于3A时，选取额定电流为5~10A的MOSFET；输出电流大于3A时，选取额定电流为10~20A的MOSFET。
PT4121续流二极管的选择
为了保证最高的效率以及性能，二极管（D）应选择快速恢复、低正向压降、低寄生电容、低漏电的肖特基二极管，电流能力以及耐压视具体的应用而定，但应保持30%的余量，有助于稳定可靠的工作。
另外值得注意的一点是应考虑温度高于85°C时肖特基的反向漏电流。过高的漏电会增加系统的功率耗散。
AC12V/24V整流二极管（D）一定要选用低压降的肖特基二极管，以降低自身功率耗散。
PT4121输入电容C1的选择
输入电容需要吸收输入端的开关电流，要求承受充足的纹波电流有效值。输入电容的纹波电流有效值IC1可按如下公式计算：
当输入电压是输出电压的2倍时，IC1最大，为IOUT /2。因此，推荐选择纹波电流有效值大于输出电流的1/2，典型耐压值为50V，容值≥22μF，X7R或者更高等级的瓷片电容。
PT4121电感L1的选择
选择电感时，需要考虑以下方面：
1. 选择较低的电感值会提高开关频率，增大开关损耗。大部分应用建议选择开关频率在100kHz至500kHz（典型值200KHz），建议纹波电流选取大约为开关电流峰值的30%，则对应的电感L1可通过以下公式计算：
其中fSW为开关频率，ILED为LED输出电流。
2. 输出电流为IOUT时，选择的电感的额定饱和电流值大于电感的峰值电流，至少留有30%的裕量即ISAT=1.3ILP。电感的峰值电流ILP可按如下公式计算：
IOUT为LED输出电流。
3. 在开关频率较高时，电感的DCR内阻和磁心损耗必须足够低才能实现要求的效率指标。建议选择一个DCR内阻小于50 mΩ 电感来实现高的总效率。
4. 输入电压24V，输出电压10V，输出电流6A时，推荐电感值为22μH；输入电压24V，输出电压10V，输出电流3A时，推荐电感值为33μH。
PT4121输出电容C2的选择
对应大部分应用，可不使用输出电容。如果需要减少输出电流纹波，一个最有效的方法即在LED的两端并联一个容2.2μF的电容可满足大部分需求。适当的增大输出电容可以抑制更多的纹波. 需要注意的是输出电容不会影响系统的工作频率和效率，但是会影响系统启动延时以及调光频率。
PT4121模拟调光
DIM端可以外加一个直流电压(VDIM)调小LED输出电流，最大LED输出电流由（0.2/RS）设定。
LED平均输出电流计算公式：
PT4121的PWM调光
LED的最大平均电流由连接在VIN和CSN两端的电阻RS决定，通过在DIM管脚加入可变占空比的PWM信号可以调小输出电流以实现调光，计算方法如下所示：
通过PWM调光，LED的输出电流可以从0%到100%变化。LED的亮度是由PWM信号的占空比决定的。例如PWM信号25%占空比，LED的平均电流为(0.2/RS)的25%。建议设置PWM调光频率在100Hz以上，以避免人的眼睛可以看到LED的闪烁。PWM调光比模拟调光的优势在于不改变LED的色度。PT4121调光频率最高可达20kHz.
PT4121软启动
输出电流很大且输入电压源输出电流能力有限时,可通过在DIM接入一个外部电容C6至GND，使得启动时DIM端电压缓慢上升，这样LED的电流也缓慢上升，从而实现软启动同时可避免输入电压源被限流。建议电容值选取0.47µF的0805瓷片电容,在电容两端加肖特基二极管到VIN加速电容放电可解决连续开关机IC无法正常启动的情况。
PT4121 IC过热保护
PT4121内部设置了过温保护功能（TSD）,以保证系统稳定可靠的工作。当IC 芯片温度超出150℃，IC即会进入TSD保护状态并停止电流输出，而当温度低于130时，IC即会重新恢复至正常工作状态。
PCB Layout注意事项
合理的PCB布局设计对实现芯片的稳定工作是至关重要的。
1. 当输入电容离芯片的VIN引脚水平距离很远时，寄生电感会较大，上电过程中较大di/dt在寄生电感上产生的噪声会影响芯片的采样，致IC工作出现异常。避免上述问题，需在靠近芯片VIN引脚至GND并联一个0.1µF的瓷片电容。
错误的PCB Layout示意图1：
正确的PCB Layout示意图2：
较好的PCB Layout示意图3：
2.电流采样电阻Rs尽可能靠近芯片VIN与CSN引脚以减小电流采样误差；
3.电流环路，包括输入电容、采样电阻、电感、肖特基二极管，应尽可能短；
4.为了有效地减小电流环路的噪声，输入旁路电容建议单点接地。输入电容C1的地与MOS管Q1的地均为功率地，芯片U1的地为信号地，正确的做法是“MOS管Q1的地先与输入电容C1的地连接然后再由输入电容的单点地连接至芯片U1的地”。示意图如下：
5.MOS 管的DRAIN端是开关节点，走线尽可能短且远离芯片，以减小电感的辐射。
PCB Layout参考图
PT4121电路散热注意事项
当系统工作的环境温度较高及驱动大电流负载时，必须要注意避免系统达到功率极限。在实际应用中，要求达到每25mm2的PCB 大约需要1oz 敷铜的电流密度以有利于散热。若PCB板允许，请尽量多敷铜，并连接至电源的GND，以吸收电感的干扰，也有利于散热。
PT4121应用注意事项
①为避免焊接内部无ESD保护电路的MOSFET时被静电损坏,建议在MOSFET的GS端加一10K~100K的0805贴片电阻。
②输出负载使用电子负载的CV模式时，由于电子负载响应速度较慢，当无输出电容或输出电容较小时，PT4121会出现工作异常。改善的措施：加大输出电容，延长启动时间，当启动时间大于电子负载响应时间时，PT4121在CV模式下也能正常工作。
③测试PT4121开关机及动态性能时，输出负载务必采用LED灯。
④焊接PT4121时，注意2脚CSN、3脚DIM沾锡短路。由于CSN是高压脚，DIM是低压脚，若两者沾锡短路，上电瞬间，DIM脚将被高压击穿，芯片将损坏。
⑤当输出功率很大如10V/6A时，启动瞬间输入电流过冲会很大，若超出DC电源电流设定的最大值，会触发电流保护，把输入电压拉下来，使芯片工作异常，且MOS管处于常通状态，长时间处于此工作状态会使MOS管过热损坏。
改善措施1：使用能提供更大电流能力的DC电源；
改善措施2：使用负温度系数的热敏电阻减小开机瞬间输入过冲电流；
改善措施3：通过EN来控制开关机；
改善措施4：在DIM脚加瓷片电容延长启动时间。
