PT4132 高性能升壓式LED驅動芯片應用說明

PT4132升壓車應應用方案說明資料下載

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PT4132高性能升壓式LED驅動芯片概況

  PT4132是壹款小封裝、高性能的升壓式DC/DC控制器，主要應用於LED驅動電源和車燈。PT4132是通過直接調節輸出電流來驅動LED的，而不是通過調節輸出電壓來驅動LED。因此，PT4132可以理想的控制LED的光強度。PT4132通過壹個外部電阻設置LED電流，然後可通過壹個直流電壓或者100Hz～1000Hz的PWM信號來調節LED電流。PT4132提供了全面的保護功能，比如功率MOS過流保護（OCP）、輸出過電壓保護（OVP）、芯片電源欠電壓鎖定（UVLO）、LED開短路保護等。

高性能升壓式LED車燈驅動芯片PT4132特性

  ●電流模式的PWM控制器具有良好的動態響應

  ●8V至35V的輸入電壓範圍

  ●外部PWM調光模式

  ●過電壓保護

  ●過電流保護

  ●欠電壓鎖定（UVLO）

  ●熱關斷保護

PWM調光外置MOS大電流LED車燈驅動片典型應用電路

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

LED車燈恒流芯片PT4132工作原理介紹

  PT4132是壹款采用恒定工作頻率和峰值電流檢測模式的升壓式LED驅動控制器。在每個周期開始時，控制電路打開功率MOSFET給電感充電，使電感電流上升。電流檢測放大器的輸出疊加壹個穩定的斜坡補償後反饋至脈寬調制器的正輸入端，以防止在脈沖寬度大於50%時可能產生的諧波振蕩。當脈寬調制器正輸入端的電壓大於誤差放大器的輸出電壓，功率MOSFET關閉，電感經過續流二極管給輸出電容充電。

  內部200mV的參考電壓和FB反饋電壓是誤差放大器的兩個輸入端。當FB反饋電壓開始下降，誤差放大器的輸出升高，功率MOSFET導通時間和電感充電時間增加，從而提高輸出功率。

  逐周期電流保護功能限制了流過外部功率MOSFET的最大電流。過溫保護功能通過關閉外部功率MOSFET的驅動信號以確保系統不會陷入熱失控狀態。

PT4132欠電壓鎖定  (UVLO)

  PT4232的VIN引腳提供了壹個遲滯2.1V的欠壓鎖定保護功能。當VIN信號超過7.5V時，PT4132允許芯片進入正常工作模式。如果VIN信號低於5.4V，PT4132進入關斷模式。當VIN信號再次上升至7.5V時，PT4132解除UVLO狀態並退出關斷模式。

PT4132使能控制  (DIM)  

  PT4132可通過DIM引腳來控制PT4132的工作狀態。當DIM≥2.8V，PT4132使芯片開始工作；當DIM≤1.2V並超過60ms，PT4132使芯片進入關斷模式。此時靜態電流低至170μA（典型值）。

PT4132自啟動

PT4132無需外部使能信號即可實現自啟動。當VIN開始上電時，內部基準電壓開始建立。當VIN電壓超過UVLO電壓時，UVLO狀態解除，PT4132內部通過壹個150KΩ的電阻將DIM信號上拉。當PT4232檢測到DIM引腳的上升沿信號，芯片經過200μs延遲後開始啟動，此時內部軟啟動電路、保護電路、控制電路等開始工作。在軟啟動過程中，PT4232 軟啟動電路開始給CCOMP充電。當COMP電壓上升至閾值，外部功率MOSFET的驅動信號開始工作，直到FB電壓建立。在軟啟動結束前，COMP的OVP保護功能被屏蔽。

在軟啟動過程中，如果DIM信號被拉低，外部功率MOSFET的驅動信號將被關閉。如果DIM信號被拉低超過60ms，芯片進入關斷模式。

PT4132在啟動過程中同時還檢測系統是否觸發其他故障功能（UVLO、逐周期OCP、OVP、FB OVP、CS OVP和OTP）。

PT4132啟動後，在不驅動MOSFET的前提下，芯片的靜態電流將增大至500μA（FOSC=220KHz時的典型值）。

PT4132頻率選擇和過流保護  (CS)

  PT4132通過CS引腳設置工作頻率和逐周期過流保護。

PT4132有三種工作頻率可以設置。在PT4132給VIN上電時，芯片通過檢測連接至CS引腳的電阻阻值來選擇不同的工作頻率。

  當外部功率MOSFET導通時，PT4132通過檢測CS引腳電壓來偵測通過外部功率MOSFET的電流。RMOS可設置每個時鐘周期內通過外部功率MOSFET的最大電流。

  當芯片檢測到CS引腳的電壓超過閾值，PT4132關閉外部功率MOSFET直到下個時鐘周期開始。在最小導通時間（典型值300ns）內，如果芯片檢測到CS引腳的電壓超過閾值，PT4132不會關閉外部功率MOSFET直到最小導通時間結束。

  LED電流調節是通過檢測FB和GND之間電流感應電阻上的電壓來實現的。誤差放大器通過向COMP引腳驅動或者吸收電流來調節不同負載條件下所需的電感電流。將斜坡補償信號疊加到電流檢測信號中可以改善芯片工作在高占空比狀態下的穩定性。

 LED平均電流的計算公式如下：

  在輕載模式，PT4132自動進入跳周期模式，以提高效率並防止輸出電壓升高。在跳周期模式，功率MOSFET開啟時間為最小導通時間（典型值300ns），然後將存儲在電感上的能量傳輸到輸出電容上。除非輸出負載需要開啟另壹個脈沖來供電，否則功率MOSFET將壹直關閉。

PT4132調光控制  (DIM)

  在DIM引腳提供不同占空比的信號可調節LED的亮度。此時，將LED陰極的調光MOS柵極連接至DIM引腳可改善調光性能。PT4132可接收的外部脈寬調制信號的範圍為100Hz～1000Hz。

PT4132過壓保護  (OVP)

當OVP引腳的信號高於內部閾值（典型值2.0V）時，PT4132關閉功率MOSFET的驅動信號。當OVP引腳的信號低於內部閾值（典型值1.95V）時，PT4132恢復功率MOSFET的驅動信號。當LED發生失效而開路時，經過LED和FB電流感應電阻RFB的電流將接近於0。這將導致控制器工作在最大占空比狀態，輸出電壓被迅速擡高。如果通過OVP引腳偵測輸出電壓，當輸出電壓超出設定的值時，外部功率MOSFET將被關閉。當輸出電壓低於設定值時，芯片恢復工作。

PT4132熱關斷保護

當芯片的結溫超過160度時，PT4132關閉功率MOSFET的驅動信號直到結溫降低至140度以下。PT4132過溫恢復時不會再次軟啟動。

LED陰極對地短路保護  (COMP OVP)

當LED陰極對地發生短路，FB對GND電壓為0，誤差放大器輸出持續對COMP充電，COMP電壓升高，功率MOSFET的驅動信號占空比上升，LED電流增大，輸出電壓升高。如果芯片在觸發輸出電壓的OVP之前先觸發逐周期過流保護，功率MOSFET會先關閉，然後在下壹個周期再次打開。在這種模式下，LED將工作在持續的大電流條件下，導致LED、二極管和MOSFET溫度升高並造成永久性傷害。因此，PT4132同時還監測COMP引腳電壓。如果COMP持續超過3.7V（典型值）16000個工作周期，芯片將進入關斷模式，經過16000個工作周期後退出關斷模式。

PT4132外圍元件二極管和電感短路保護  (CS OVP)

當二極管或者電感發生短路時，如果PT4132還在持續工作，功率MOSFET上的電流將會顯著增加，從而導致永久性損傷。PT4132將持續逐周期檢測CS信號。如果CS信號在最小導通時間內持續高於1.0V（典型值）超過7個工作周期（最大21個工作周期），芯片將發生閉鎖以防止MOSFET永久性損壞直到VIN被重置。

PT4132 引腳FB過壓保護

當芯片開始工作，PT4132壹直偵測FB引腳的電壓。當FB引腳電壓超過1V，PT4132將關閉外部功率MOSFET並拉低DIM信號。DIM信號被拉低超過60ms，FB  OVP信號及DIM低電平信號將被解除。

當LED發生短路時，  FB引腳檢測到超過1V的電壓，PT4132關閉外部功率MOSFET和調光MOSFET，經過60ms後恢復功率MOSFET的驅動信號並打開調光MOSFET。如果LED短路狀態被解除，  PT4132將恢復正常工作，如果LED短路狀態未解除，PT4132將再次觸發FB OVP。

在LED發生短路的瞬間，由於調光MOS存在寄生電容Cgd，調光MOS的柵極電壓會被瞬間擡高。在調光MOS柵極並聯壹個齊納二極管到GND，可吸收該瞬間脈沖，以防止芯片DIM引腳被擊穿。

PT4132工作頻率fOSC設置

 PT4132有三種頻率可以設置，在對元器件體積和成本有限制的應用場合，用戶可選擇使芯片工作在最高的頻率狀態。此時，系統對電感的感值和額定電流、電容的容值和額度電流等要求較低。但是，系統的開關損耗將會增加，容易引入幹擾，在元器件選擇和PCB布局時需特別註意。芯片工作在較低的頻率時開關損耗較低，EMI特性較好。用戶可根據自身需求選擇不同的工作頻率。

 如果用戶需要使系統能夠切換工作頻率，可通過MOS開關選擇接入不同的R_OSC。R_OSC改變後工作頻率不會立刻發生變化，需對VIN引腳進行復位後工作頻率才會發生改變。

PT4132應用LED電流的設置

  LED工作的電流是通過R_FB來設置的。當系統穩定後，R_FB 兩端的電壓與內部基準電壓相等，故LED的電流計算公式如下：

  R_FB的精度將影響LED電流的精度，推薦使用1%精度及以下的電阻。當LED 電流較大時，R_FB的損耗將增大，此時需使用合適封裝的電阻，以免電阻過熱影響LED電流精度。

  對於特定輸出功率的應用，用戶可選擇LED串聯或者並聯使用。當LED串聯時輸出為高壓小電流；當LED並聯時輸出為低壓大電流。此時，系統對輸出電容、MOSFET和肖特基二極管的要求將各不相同。

 在輸出電壓與輸入電壓較為接近或者輸出功率較小時，因為MOS驅動信號有最小導通時間（典型值300ns）的限制，芯片會進入跳周期工作模式工作周期下降，輸出紋波增大。若客戶應用條件對跳周期模式比較敏感，不推薦將PT4132應用在輸出電壓與輸入電壓較為接近和輸出功率較小的場合。

PT4132工作電壓的選擇

  PT4132采用的Boost架構，系統的輸入電壓V_IN 需要比輸出電壓V_OUT低。芯片的VIN引腳通常直接連接至系統的輸入電壓VIN，其推薦的工作電壓範圍為8V～35V。芯片有UVLO功能，故最低工作電壓不得低於8V。芯片VIN引腳的耐壓值為40V，設計時需保有壹定的裕量，以防止連接線、PCB和芯片封裝等的寄生參數在芯片開關工作時產生的Ring超過40V，故推薦的最高工作電壓不宜超過35V。

如果系統的輸入電壓VIN 超過35V，則芯片的V_IN引腳不能直接連接到系統的輸入端。壹般情況下，系統輸入電壓VIN 經過電阻分壓，並經過電容C_VIN後即可給VIN引腳供電。芯片在驅動MOS時工作電流會增大，故分壓電阻不宜過大，否則在芯片驅動MOS開關時分壓電阻限制了系統輸入電壓V_IN 對C_VIN充電的電流而導致VIN引腳的電壓不斷降低直至觸發UVLO。

  系統輸入輸出電壓決定了芯片工作時GATE的脈沖寬度，估算公式如下：

PT4132外圍元件功率電感L的選擇

根據不同的工作頻率，用戶可選擇使用不同感量的功率電感，推薦的感量範圍為10μH～47μH。選用的電感感量越大，則紋波電流越小，感量越小則紋波電流越大。電感電流峰峰值估算公式如下：

電感電流峰值估算公式如下：

電感電流峰值估算公式如下：

功率電感的飽和電流需大於電感電流峰值I_pk,否則功率電感易發生飽和而使電感感量發生變化，導致電感電流發生畸變，影響系統穩定工作，甚至觸發芯片保護功能或造成永久性損傷。

  功率電感的直流導通阻抗DCR在芯片工作時會產生損耗而使電感發熱。建議用戶使用DCR較小的電感，以免電感過熱導致感量發生偏移，使系統工作狀態發生改變。

PT4132外置功率MOS的選擇

  功率MOS選擇時需要考慮額定工作電流I_D、漏源極耐壓值V_DS、導通電阻R_{DS_ON}、柵極電荷Q_g或輸入電容C_ISS、柵源極耐壓值V_GS等。

  功率MOS的額定工作電流不宜低於電感電流峰值I_pk。在選擇MOS時需註意系統工作的環境溫度，MOS溫度較高時其額定工作電流會下降。

  功率MOS的漏源極耐壓值V_DS需高於輸出電壓V_OUT並留有至少20%以上的裕量，以防止MOS漏極在開關時產生的Overshoot超過MOS的漏源極耐壓值而將MOS擊穿。該Overshoot也可以通過增加壹個對地的RC串聯電路（Snubber電路）吸收，但是會增加額外的損耗。

  芯片的驅動信號GATE的高電平在VIN引腳電壓小於10V時等於VIN引腳電壓，在VIN引腳電壓大於10V時等於10V。功率MOS的柵源極耐壓值V_GS需大於10V。

 導通電阻R_{DS_ON}和柵極電荷Q_g 決定了功率MOS的導通損耗和開關損耗。功率MOS的總損耗、封裝和環溫將決定MOS工作時的結溫，設計時需綜合考量。

 功率MOS的輸入電容C_ISS 還影響芯片工作時VIN引腳所需提供的電流I_DD。C_ISS 越大，I_DD越大，MOS開關速度越慢，開關損耗越大；C_ISS 越小，I_DD越小，MOS開關速度越快，開關Noise越大。推薦的C_ISS 範圍為100pF～1000pF。

PT4132外圍元件續流二極管D的選擇

續流二極管D建議使用正向導通壓降V_F較低的肖特基二極管，在選擇時需要考慮額定電流I_(AV)和反向耐壓V_RRM。額定電流I_(AV)不宜低於電感電流峰值I_pk。反向耐壓V_RRM需高於輸出電壓V_OUT並留有壹定的裕量。

PT4132輸出電容COUT的選擇

  輸出電容C_OUT將決定LED上的紋波電壓V_RMS並影響LED電流I_LED的精度。在GATE為高電平時，MOS導通，此時C_OUT單獨為LED供電，導致V_OUT電壓下降，引起輸出紋波。如果用戶對V_RMS有要求，則C_OUT的容值估算公式如下：

同時C_OUT的耐壓值必須大於輸出電壓V_OUT。 C_OUT可使用陶瓷電容，也可以使用電解電容。在輸出電流較大時推薦使用電解電容，以免紋波過大而引起陶瓷電容嘯叫。在選擇使用電解電容時需註意選擇合適的額定工作電流I_RMS的電解電容。

I_RMS的估算公式如下：

如果忽略功率損耗，則計算公式如下：

對於調光應用，如果不使用調光MOS，當DIM信號為低電平時，C_OUT單獨為LED供電，導致V_OUT電壓下降，引起輸出紋波增大。此時，如果用戶對V_RMS有要求，則C_OUT的容值估算公式如下：

其中，f_DIM為調光頻率，D_{DIM_MIN}為調光信號的最小占空比。

PT4132輸入電容CIN 的選擇

為了降低電感的紋波電流對系統輸入電壓V_IN的幹擾，在輸入端增加壹個濾波電容C_IN 往往是必要的。如果電感電流的峰峰值I_pk-pk較小，C_IN 使用4.7μF～22μF的陶瓷電容即可。如果電感電流的峰峰值I_pk-pk較大，陶瓷電容無法提供更大的容值，此時可以選擇電解電容。選擇電解電容時，需註意電解電容的額定工作電流I_RMS必須大於電感電流的峰峰值I_pk-pk的1/4。

使用陶瓷電容時，輸入電壓紋波不宜超過0.8V，否則易引起陶瓷電容嘯叫。

PT4132芯片濾波電容C_VIN

芯片通過VIN引腳供電，穩定的VIN引腳電壓對系統穩定性有很大的幫助。推薦在靠近VIN引腳的地方放置壹個0.1μF～1μF的陶瓷電容進行濾波。

PT4132芯片OVP的設置

  芯片將OVP引腳的輸入電壓與芯片內部2.0V的基準電壓做比較來判斷是否觸發OVP功能。用戶可將輸出電壓經電阻分壓後連接至OVP引腳，以實現輸出過壓檢測功能。輸出過壓保護點V_OVP的計算公式如下：

  用戶可根據以上公式選擇合適的分壓電阻來設置過壓保護點。需註意的是，OVP引腳是內部比較器的輸入端，屬於高阻抗節點，R_{OVP_L}不宜設置過大，否則在PCB表面受汙染或受潮的情況下，OVP網絡與距離其較近的高壓網絡之間易產生MΩ級阻抗，從而誤觸發OVP功能。推薦的R_{OVP_L}為10KΩ～47KΩ，如果在應用條件下PCB極易受汙染或者受潮，則需適當降低R_{OVP_L}的值。但是該值不宜過低，否則分壓電阻將產生較大的損壞。

OVP引腳的過壓保護功能不局限於輸出電壓，也可應用於其他電壓網絡，如輸入電壓等，亦可多個電壓網絡共用，只需將電阻分壓點經過二極管後再連接至OVP引腳即可。

PT4132芯片MOS限流電阻R_MOS的設置

  在線路中R_MOS與MOS串聯，用於檢測經過MOS的電流，其壹端接地，另外壹端經過R_OSC連接至CS引腳。在正常工作時，CS引腳檢測R_MOS兩端的電壓。當經過MOS的電流過大時，CS引腳

  將檢測到超過300mV 的電壓，芯片將立即關閉MOS的驅動信號，直到下個時鐘周期開始再次檢測CS引腳電壓。

  MOSFET過流保護的限制電流計算如下：

I_MOS可比MOS的額定電流I_D稍大，但是不能超過MOS的最大脈沖電流I_DM。

PT4132芯片 COMP補償設置

  COMP引腳需對地連接壹個RC串聯電路，為反饋環路增加壹個零點，以增加帶寬。推薦的R_COMP為2.2KΩ，C_COMP為10nF。

除此之外，COMP引腳還用於軟啟動和調光應用。在軟啟動時，芯片內部以壹個μA級的電流源給C_COMP充電，以防止輸出過沖。C_COMP越大，R_COMP越小，軟啟動時間越長。在調光應用時，當DIM信號為低電平時，芯片將誤差放大器輸出與COMP斷開，C_COMP可維持COMP引腳電壓。當DIM信號為高電平時，誤差放大器輸出與COMP重新連接，C_COMP維持的電壓可幫助電感電流快速建立。如果想進壹步加快電感電流的建立，可適當增大R_COMP，使誤差放大器輸出的μA級電流在R_COMP上產生壓差，進壹步擡高PWM比較器負輸入端的電壓，增大功率MOS驅動信號的占空比，加快電感電流的建立。

PT4132芯片調光應用

  DIM引腳是芯片的PWM調光引腳，其耐壓值為7V，故推薦的調光信號高電平為5V。

  在DIM引腳提供100Hz~1000Hz的脈沖信號可對輸出電流進行調節。在LED 負極串聯的調光MOS可以保證脈沖信號的占空比和輸出電流有極好的線性度，否則在輸出電流較小時，線性度較差。其主要原因是，在調光信號為低電平時，輸出電容持續為LED提供電流，使整體的平均電流擡高。而輸出電流較大時，輸出電容可為LED提供電流的時間較短，對整體的平均電流影響較小。

  在芯片工作頻率較低，調光信號頻率較高時，如果調光信號脈沖寬度低至不足壹個工作周期時，往往會發生MOS驅動信號還未來得及打開，調光信號就已經為低電平了。此時，少數周期內會出現沒有給電感充電的現象，LED就會發生閃爍。故不推薦用戶在芯片工作頻率低，調光信號頻率高的情況下使用低於1%的調光占空比來進行調光。在此條件下，增大輸出電容略有改善，但無法完全消除。

若使用調光信號來啟動芯片，在調光信號為低電平時，MOS驅動信號也會關閉，軟啟動的時間將會拉長。特別是使用小占空比信號來調光，為了使輸出電壓及時建立，在調光信號為高電平的時間內，電感電流往往會沖高。此時，若R_MOS設置過小，功率MOS的電流可能會過高導致功率MOS硬損傷。若R_MOS設置過大，電感電流在最小導通時間內往往會沖的過高而誤觸發FB的OVP保護。或者觸發逐周期限流保護而無法完成軟啟動。用戶需根據自身的實際應用條件來調節R_MOS。

  另外，調光應用時需增大輸出電容以減小輸出紋波。

PT4132芯片應用設計PCB Layout註意事項

 壹 盡量按照電路圖示意去區分信號地和功率地。

 二 VIN引腳的濾波電容CVIN盡量靠近VIN引腳和GND引腳，且保持最短連接，最好在同壹層。

 ③  輸入電容CIN 和輸出電容COUT的地均為功率地，盡量保持最短連接，如果可以使用獨立的GND層效果更好。

 四  功率電感L的輸入端盡量靠近輸入電容CIN 的正端。電感的輸出端和MOS的漏極、二極管D的正極相連，是最主要的幹擾源，布局時需保持盡可能靠近，並                用敷銅連接。該敷銅最好用GND包圍以降低幹擾。電感兩PAD之間盡量留有壹定空鋪地，以減小電感的寄生電容。

 伍  RFB盡量靠近芯片FB引腳，以防止可能引入的幹擾，保證LED電流精度。

 ⑥  盡可能減小功率回路的面積，以降低可能產生的EMI。

 七  功率元件電感L、二極管D、MOS等如需散熱，可增大焊盤面積或者與之相連的敷銅面積，以降低熱沈。

PT4132應用註意事項

1.  在軟啟動過程中，COMP過壓保護功能被屏蔽，如果此時發生FB短路，軟啟動不會結束，此時只能通過CS引腳的逐周期限流功能進行保護。

2.  在調光信號為低電平時，COMP引腳和誤差放大器輸出斷開，此時誤差放大器輸出被鉗位，COMP過壓保護功能被屏蔽。如果此時發生FB短路，將無法觸發            COMP過壓保護，此時只能通過CS引腳的逐周期限流功能進行保護。

3.  芯片內部使用的是高壓bandgap架構，所有內部基準電壓都會隨輸入電壓的增大而略有增大。如果用戶對芯片工作頻率、LED電流、過壓保護點等參數的精
度要求很高，請盡可能保證VIN引腳的輸入電壓足夠穩定。理想的情況下，可將系統輸入電壓經過LDO或者TL431穩壓至後給VIN引腳供電。

  4. 在輸出功率較大時，所有功率元件在選型時需重點考慮熱設計，以改善系統的可靠性。