PT4132 高性能升压式LED驱动芯片应用说明

PT4132升压车应应用方案说明资料下载

PT4132_AN01_Rev_CH1.0.pdf

PT4132高性能升压式LED驱动芯片概况

  PT4132是一款小封装、高性能的升压式DC/DC控制器，主要应用于LED驱动电源和车灯。PT4132是通过直接调节输出电流来驱动LED的，而不是通过调节输出电压来驱动LED。因此，PT4132可以理想的控制LED的光强度。PT4132通过一个外部电阻设置LED电流，然后可通过一个直流电压或者100Hz～1000Hz的PWM信号来调节LED电流。PT4132提供了全面的保护功能，比如功率MOS过流保护（OCP）、输出过电压保护（OVP）、芯片电源欠电压锁定（UVLO）、LED开短路保护等。

高性能升压式LED车灯驱动芯片PT4132特性

  ●电流模式的PWM控制器具有良好的动态响应

  ●8V至35V的输入电压范围

  ●外部PWM调光模式

  ●过电压保护

  ●过电流保护

  ●欠电压锁定（UVLO）

  ●热关断保护

PWM调光外置MOS大电流LED车灯驱动片典型应用电路

DEMO板LAYOUT，元器件清单
VIN=12V, VOUT=36V, IOUT=1.5A

LED车灯恒流芯片PT4132工作原理介绍

  PT4132是一款采用恒定工作频率和峰值电流检测模式的升压式LED驱动控制器。在每个周期开始时，控制电路打开功率MOSFET给电感充电，使电感电流上升。电流检测放大器的输出叠加一个稳定的斜坡补偿后反馈至脉宽调制器的正输入端，以防止在脉冲宽度大于50%时可能产生的谐波振荡。当脉宽调制器正输入端的电压大于误差放大器的输出电压，功率MOSFET关闭，电感经过续流二极管给输出电容充电。

  内部200mV的参考电压和FB反馈电压是误差放大器的两个输入端。当FB反馈电压开始下降，误差放大器的输出升高，功率MOSFET导通时间和电感充电时间增加，从而提高输出功率。

  逐周期电流保护功能限制了流过外部功率MOSFET的最大电流。过温保护功能通过关闭外部功率MOSFET的驱动信号以确保系统不会陷入热失控状态。

PT4132欠电压锁定  (UVLO)

  PT4232的VIN引脚提供了一个迟滞2.1V的欠压锁定保护功能。当VIN信号超过7.5V时，PT4132允许芯片进入正常工作模式。如果VIN信号低于5.4V，PT4132进入关断模式。当VIN信号再次上升至7.5V时，PT4132解除UVLO状态并退出关断模式。

PT4132使能控制  (DIM)  

  PT4132可通过DIM引脚来控制PT4132的工作状态。当DIM≥2.8V，PT4132使芯片开始工作；当DIM≤1.2V并超过60ms，PT4132使芯片进入关断模式。此时静态电流低至170μA（典型值）。

PT4132自启动

PT4132无需外部使能信号即可实现自启动。当VIN开始上电时，内部基准电压开始建立。当VIN电压超过UVLO电压时，UVLO状态解除，PT4132内部通过一个150KΩ的电阻将DIM信号上拉。当PT4232检测到DIM引脚的上升沿信号，芯片经过200μs延迟后开始启动，此时内部软启动电路、保护电路、控制电路等开始工作。在软启动过程中，PT4232 软启动电路开始给CCOMP充电。当COMP电压上升至阈值，外部功率MOSFET的驱动信号开始工作，直到FB电压建立。在软启动结束前，COMP的OVP保护功能被屏蔽。

在软启动过程中，如果DIM信号被拉低，外部功率MOSFET的驱动信号将被关闭。如果DIM信号被拉低超过60ms，芯片进入关断模式。

PT4132在启动过程中同时还检测系统是否触发其他故障功能（UVLO、逐周期OCP、OVP、FB OVP、CS OVP和OTP）。

PT4132启动后，在不驱动MOSFET的前提下，芯片的静态电流将增大至500μA（FOSC=220KHz时的典型值）。

PT4132频率选择和过流保护  (CS)

  PT4132通过CS引脚设置工作频率和逐周期过流保护。

PT4132有三种工作频率可以设置。在PT4132给VIN上电时，芯片通过检测连接至CS引脚的电阻阻值来选择不同的工作频率。

  当外部功率MOSFET导通时，PT4132通过检测CS引脚电压来侦测通过外部功率MOSFET的电流。RMOS可设置每个时钟周期内通过外部功率MOSFET的最大电流。

  当芯片检测到CS引脚的电压超过阈值，PT4132关闭外部功率MOSFET直到下个时钟周期开始。在最小导通时间（典型值300ns）内，如果芯片检测到CS引脚的电压超过阈值，PT4132不会关闭外部功率MOSFET直到最小导通时间结束。

  LED电流调节是通过检测FB和GND之间电流感应电阻上的电压来实现的。误差放大器通过向COMP引脚驱动或者吸收电流来调节不同负载条件下所需的电感电流。将斜坡补偿信号叠加到电流检测信号中可以改善芯片工作在高占空比状态下的稳定性。

 LED平均电流的计算公式如下：

  在轻载模式，PT4132自动进入跳周期模式，以提高效率并防止输出电压升高。在跳周期模式，功率MOSFET开启时间为最小导通时间（典型值300ns），然后将存储在电感上的能量传输到输出电容上。除非输出负载需要开启另一个脉冲来供电，否则功率MOSFET将一直关闭。

PT4132调光控制  (DIM)

  在DIM引脚提供不同占空比的信号可调节LED的亮度。此时，将LED阴极的调光MOS栅极连接至DIM引脚可改善调光性能。PT4132可接收的外部脉宽调制信号的范围为100Hz～1000Hz。

PT4132过压保护  (OVP)

当OVP引脚的信号高于内部阈值（典型值2.0V）时，PT4132关闭功率MOSFET的驱动信号。当OVP引脚的信号低于内部阈值（典型值1.95V）时，PT4132恢复功率MOSFET的驱动信号。当LED发生失效而开路时，经过LED和FB电流感应电阻RFB的电流将接近于0。这将导致控制器工作在最大占空比状态，输出电压被迅速抬高。如果通过OVP引脚侦测输出电压，当输出电压超出设定的值时，外部功率MOSFET将被关闭。当输出电压低于设定值时，芯片恢复工作。

PT4132热关断保护

当芯片的结温超过160度时，PT4132关闭功率MOSFET的驱动信号直到结温降低至140度以下。PT4132过温恢复时不会再次软启动。

LED阴极对地短路保护  (COMP OVP)

当LED阴极对地发生短路，FB对GND电压为0，误差放大器输出持续对COMP充电，COMP电压升高，功率MOSFET的驱动信号占空比上升，LED电流增大，输出电压升高。如果芯片在触发输出电压的OVP之前先触发逐周期过流保护，功率MOSFET会先关闭，然后在下一个周期再次打开。在这种模式下，LED将工作在持续的大电流条件下，导致LED、二极管和MOSFET温度升高并造成永久性伤害。因此，PT4132同时还监测COMP引脚电压。如果COMP持续超过3.7V（典型值）16000个工作周期，芯片将进入关断模式，经过16000个工作周期后退出关断模式。

PT4132外围元件二极管和电感短路保护  (CS OVP)

当二极管或者电感发生短路时，如果PT4132还在持续工作，功率MOSFET上的电流将会显著增加，从而导致永久性损伤。PT4132将持续逐周期检测CS信号。如果CS信号在最小导通时间内持续高于1.0V（典型值）超过7个工作周期（最大21个工作周期），芯片将发生闭锁以防止MOSFET永久性损坏直到VIN被重置。

PT4132 引脚FB过压保护

当芯片开始工作，PT4132一直侦测FB引脚的电压。当FB引脚电压超过1V，PT4132将关闭外部功率MOSFET并拉低DIM信号。DIM信号被拉低超过60ms，FB  OVP信号及DIM低电平信号将被解除。

当LED发生短路时，  FB引脚检测到超过1V的电压，PT4132关闭外部功率MOSFET和调光MOSFET，经过60ms后恢复功率MOSFET的驱动信号并打开调光MOSFET。如果LED短路状态被解除，  PT4132将恢复正常工作，如果LED短路状态未解除，PT4132将再次触发FB OVP。

在LED发生短路的瞬间，由于调光MOS存在寄生电容Cgd，调光MOS的栅极电压会被瞬间抬高。在调光MOS栅极并联一个齐纳二极管到GND，可吸收该瞬间脉冲，以防止芯片DIM引脚被击穿。

PT4132工作频率fOSC设置

 PT4132有三种频率可以设置，在对元器件体积和成本有限制的应用场合，用户可选择使芯片工作在最高的频率状态。此时，系统对电感的感值和额定电流、电容的容值和额度电流等要求较低。但是，系统的开关损耗将会增加，容易引入干扰，在元器件选择和PCB布局时需特别注意。芯片工作在较低的频率时开关损耗较低，EMI特性较好。用户可根据自身需求选择不同的工作频率。

 如果用户需要使系统能够切换工作频率，可通过MOS开关选择接入不同的R_OSC。R_OSC改变后工作频率不会立刻发生变化，需对VIN引脚进行复位后工作频率才会发生改变。

PT4132应用LED电流的设置

  LED工作的电流是通过R_FB来设置的。当系统稳定后，R_FB 两端的电压与内部基准电压相等，故LED的电流计算公式如下：

  R_FB的精度将影响LED电流的精度，推荐使用1%精度及以下的电阻。当LED 电流较大时，R_FB的损耗将增大，此时需使用合适封装的电阻，以免电阻过热影响LED电流精度。

  对于特定输出功率的应用，用户可选择LED串联或者并联使用。当LED串联时输出为高压小电流；当LED并联时输出为低压大电流。此时，系统对输出电容、MOSFET和肖特基二极管的要求将各不相同。

 在输出电压与输入电压较为接近或者输出功率较小时，因为MOS驱动信号有最小导通时间（典型值300ns）的限制，芯片会进入跳周期工作模式工作周期下降，输出纹波增大。若客户应用条件对跳周期模式比较敏感，不推荐将PT4132应用在输出电压与输入电压较为接近和输出功率较小的场合。

PT4132工作电压的选择

  PT4132采用的Boost架构，系统的输入电压V_IN 需要比输出电压V_OUT低。芯片的VIN引脚通常直接连接至系统的输入电压VIN，其推荐的工作电压范围为8V～35V。芯片有UVLO功能，故最低工作电压不得低于8V。芯片VIN引脚的耐压值为40V，设计时需保有一定的裕量，以防止连接线、PCB和芯片封装等的寄生参数在芯片开关工作时产生的Ring超过40V，故推荐的最高工作电压不宜超过35V。

如果系统的输入电压VIN 超过35V，则芯片的V_IN引脚不能直接连接到系统的输入端。一般情况下，系统输入电压VIN 经过电阻分压，并经过电容C_VIN后即可给VIN引脚供电。芯片在驱动MOS时工作电流会增大，故分压电阻不宜过大，否则在芯片驱动MOS开关时分压电阻限制了系统输入电压V_IN 对C_VIN充电的电流而导致VIN引脚的电压不断降低直至触发UVLO。

  系统输入输出电压决定了芯片工作时GATE的脉冲宽度，估算公式如下：

PT4132外围元件功率电感L的选择

根据不同的工作频率，用户可选择使用不同感量的功率电感，推荐的感量范围为10μH～47μH。选用的电感感量越大，则纹波电流越小，感量越小则纹波电流越大。电感电流峰峰值估算公式如下：

电感电流峰值估算公式如下：

电感电流峰值估算公式如下：

功率电感的饱和电流需大于电感电流峰值I_pk,否则功率电感易发生饱和而使电感感量发生变化，导致电感电流发生畸变，影响系统稳定工作，甚至触发芯片保护功能或造成永久性损伤。

  功率电感的直流导通阻抗DCR在芯片工作时会产生损耗而使电感发热。建议用户使用DCR较小的电感，以免电感过热导致感量发生偏移，使系统工作状态发生改变。

PT4132外置功率MOS的选择

  功率MOS选择时需要考虑额定工作电流I_D、漏源极耐压值V_DS、导通电阻R_{DS_ON}、栅极电荷Q_g或输入电容C_ISS、栅源极耐压值V_GS等。

  功率MOS的额定工作电流不宜低于电感电流峰值I_pk。在选择MOS时需注意系统工作的环境温度，MOS温度较高时其额定工作电流会下降。

  功率MOS的漏源极耐压值V_DS需高于输出电压V_OUT并留有至少20%以上的裕量，以防止MOS漏极在开关时产生的Overshoot超过MOS的漏源极耐压值而将MOS击穿。该Overshoot也可以通过增加一个对地的RC串联电路（Snubber电路）吸收，但是会增加额外的损耗。

  芯片的驱动信号GATE的高电平在VIN引脚电压小于10V时等于VIN引脚电压，在VIN引脚电压大于10V时等于10V。功率MOS的栅源极耐压值V_GS需大于10V。

 导通电阻R_{DS_ON}和栅极电荷Q_g 决定了功率MOS的导通损耗和开关损耗。功率MOS的总损耗、封装和环温将决定MOS工作时的结温，设计时需综合考量。

 功率MOS的输入电容C_ISS 还影响芯片工作时VIN引脚所需提供的电流I_DD。C_ISS 越大，I_DD越大，MOS开关速度越慢，开关损耗越大；C_ISS 越小，I_DD越小，MOS开关速度越快，开关Noise越大。推荐的C_ISS 范围为100pF～1000pF。

PT4132外围元件续流二极管D的选择

续流二极管D建议使用正向导通压降V_F较低的肖特基二极管，在选择时需要考虑额定电流I_(AV)和反向耐压V_RRM。额定电流I_(AV)不宜低于电感电流峰值I_pk。反向耐压V_RRM需高于输出电压V_OUT并留有一定的裕量。

PT4132输出电容COUT的选择

  输出电容C_OUT将决定LED上的纹波电压V_RMS并影响LED电流I_LED的精度。在GATE为高电平时，MOS导通，此时C_OUT单独为LED供电，导致V_OUT电压下降，引起输出纹波。如果用户对V_RMS有要求，则C_OUT的容值估算公式如下：

同时C_OUT的耐压值必须大于输出电压V_OUT。 C_OUT可使用陶瓷电容，也可以使用电解电容。在输出电流较大时推荐使用电解电容，以免纹波过大而引起陶瓷电容啸叫。在选择使用电解电容时需注意选择合适的额定工作电流I_RMS的电解电容。

I_RMS的估算公式如下：

如果忽略功率损耗，则计算公式如下：

对于调光应用，如果不使用调光MOS，当DIM信号为低电平时，C_OUT单独为LED供电，导致V_OUT电压下降，引起输出纹波增大。此时，如果用户对V_RMS有要求，则C_OUT的容值估算公式如下：

其中，f_DIM为调光频率，D_{DIM_MIN}为调光信号的最小占空比。

PT4132输入电容CIN 的选择

为了降低电感的纹波电流对系统输入电压V_IN的干扰，在输入端增加一个滤波电容C_IN 往往是必要的。如果电感电流的峰峰值I_pk-pk较小，C_IN 使用4.7μF～22μF的陶瓷电容即可。如果电感电流的峰峰值I_pk-pk较大，陶瓷电容无法提供更大的容值，此时可以选择电解电容。选择电解电容时，需注意电解电容的额定工作电流I_RMS必须大于电感电流的峰峰值I_pk-pk的1/4。

使用陶瓷电容时，输入电压纹波不宜超过0.8V，否则易引起陶瓷电容啸叫。

PT4132芯片滤波电容C_VIN

芯片通过VIN引脚供电，稳定的VIN引脚电压对系统稳定性有很大的帮助。推荐在靠近VIN引脚的地方放置一个0.1μF～1μF的陶瓷电容进行滤波。

PT4132芯片OVP的设置

  芯片将OVP引脚的输入电压与芯片内部2.0V的基准电压做比较来判断是否触发OVP功能。用户可将输出电压经电阻分压后连接至OVP引脚，以实现输出过压检测功能。输出过压保护点V_OVP的计算公式如下：

  用户可根据以上公式选择合适的分压电阻来设置过压保护点。需注意的是，OVP引脚是内部比较器的输入端，属于高阻抗节点，R_{OVP_L}不宜设置过大，否则在PCB表面受污染或受潮的情况下，OVP网络与距离其较近的高压网络之间易产生MΩ级阻抗，从而误触发OVP功能。推荐的R_{OVP_L}为10KΩ～47KΩ，如果在应用条件下PCB极易受污染或者受潮，则需适当降低R_{OVP_L}的值。但是该值不宜过低，否则分压电阻将产生较大的损坏。

OVP引脚的过压保护功能不局限于输出电压，也可应用于其他电压网络，如输入电压等，亦可多个电压网络共用，只需将电阻分压点经过二极管后再连接至OVP引脚即可。

PT4132芯片MOS限流电阻R_MOS的设置

  在线路中R_MOS与MOS串联，用于检测经过MOS的电流，其一端接地，另外一端经过R_OSC连接至CS引脚。在正常工作时，CS引脚检测R_MOS两端的电压。当经过MOS的电流过大时，CS引脚

  将检测到超过300mV 的电压，芯片将立即关闭MOS的驱动信号，直到下个时钟周期开始再次检测CS引脚电压。

  MOSFET过流保护的限制电流计算如下：

I_MOS可比MOS的额定电流I_D稍大，但是不能超过MOS的最大脉冲电流I_DM。

PT4132芯片 COMP补偿设置

  COMP引脚需对地连接一个RC串联电路，为反馈环路增加一个零点，以增加带宽。推荐的R_COMP为2.2KΩ，C_COMP为10nF。

除此之外，COMP引脚还用于软启动和调光应用。在软启动时，芯片内部以一个μA级的电流源给C_COMP充电，以防止输出过冲。C_COMP越大，R_COMP越小，软启动时间越长。在调光应用时，当DIM信号为低电平时，芯片将误差放大器输出与COMP断开，C_COMP可维持COMP引脚电压。当DIM信号为高电平时，误差放大器输出与COMP重新连接，C_COMP维持的电压可帮助电感电流快速建立。如果想进一步加快电感电流的建立，可适当增大R_COMP，使误差放大器输出的μA级电流在R_COMP上产生压差，进一步抬高PWM比较器负输入端的电压，增大功率MOS驱动信号的占空比，加快电感电流的建立。

PT4132芯片调光应用

  DIM引脚是芯片的PWM调光引脚，其耐压值为7V，故推荐的调光信号高电平为5V。

  在DIM引脚提供100Hz~1000Hz的脉冲信号可对输出电流进行调节。在LED 负极串联的调光MOS可以保证脉冲信号的占空比和输出电流有极好的线性度，否则在输出电流较小时，线性度较差。其主要原因是，在调光信号为低电平时，输出电容持续为LED提供电流，使整体的平均电流抬高。而输出电流较大时，输出电容可为LED提供电流的时间较短，对整体的平均电流影响较小。

  在芯片工作频率较低，调光信号频率较高时，如果调光信号脉冲宽度低至不足一个工作周期时，往往会发生MOS驱动信号还未来得及打开，调光信号就已经为低电平了。此时，少数周期内会出现没有给电感充电的现象，LED就会发生闪烁。故不推荐用户在芯片工作频率低，调光信号频率高的情况下使用低于1%的调光占空比来进行调光。在此条件下，增大输出电容略有改善，但无法完全消除。

若使用调光信号来启动芯片，在调光信号为低电平时，MOS驱动信号也会关闭，软启动的时间将会拉长。特别是使用小占空比信号来调光，为了使输出电压及时建立，在调光信号为高电平的时间内，电感电流往往会冲高。此时，若R_MOS设置过小，功率MOS的电流可能会过高导致功率MOS硬损伤。若R_MOS设置过大，电感电流在最小导通时间内往往会冲的过高而误触发FB的OVP保护。或者触发逐周期限流保护而无法完成软启动。用户需根据自身的实际应用条件来调节R_MOS。

  另外，调光应用时需增大输出电容以减小输出纹波。

PT4132芯片应用设计PCB Layout注意事项

 ① 尽量按照电路图示意去区分信号地和功率地。

 ② VIN引脚的滤波电容CVIN尽量靠近VIN引脚和GND引脚，且保持最短连接，最好在同一层。

 ③  输入电容CIN 和输出电容COUT的地均为功率地，尽量保持最短连接，如果可以使用独立的GND层效果更好。

 ④  功率电感L的输入端尽量靠近输入电容CIN 的正端。电感的输出端和MOS的漏极、二极管D的正极相连，是最主要的干扰源，布局时需保持尽可能靠近，并                用敷铜连接。该敷铜最好用GND包围以降低干扰。电感两PAD之间尽量留有一定空铺地，以减小电感的寄生电容。

 ⑤  RFB尽量靠近芯片FB引脚，以防止可能引入的干扰，保证LED电流精度。

 ⑥  尽可能减小功率回路的面积，以降低可能产生的EMI。

 ⑦  功率元件电感L、二极管D、MOS等如需散热，可增大焊盘面积或者与之相连的敷铜面积，以降低热沉。

PT4132应用注意事项

1.  在软启动过程中，COMP过压保护功能被屏蔽，如果此时发生FB短路，软启动不会结束，此时只能通过CS引脚的逐周期限流功能进行保护。

2.  在调光信号为低电平时，COMP引脚和误差放大器输出断开，此时误差放大器输出被钳位，COMP过压保护功能被屏蔽。如果此时发生FB短路，将无法触发            COMP过压保护，此时只能通过CS引脚的逐周期限流功能进行保护。

3.  芯片内部使用的是高压bandgap架构，所有内部基准电压都会随输入电压的增大而略有增大。如果用户对芯片工作频率、LED电流、过压保护点等参数的精
度要求很高，请尽可能保证VIN引脚的输入电压足够稳定。理想的情况下，可将系统输入电压经过LDO或者TL431稳压至后给VIN引脚供电。

  4. 在输出功率较大时，所有功率元件在选型时需重点考虑热设计，以改善系统的可靠性。