一種升壓恒流驅(qū)動電路設計

摘" 要：本文結合某款商用車彩屏儀表相關試驗要求及液晶背光驅(qū)動要求，選擇了BST6025做為寬范圍電壓DC-DC降壓電路，SY7203DBC做為DC-DC升壓電路，設計了一種通過改變PWM占空比對串并混聯(lián)的LED照明電路進行調(diào)光的恒流驅(qū)動電路。該電路的降壓芯片、升壓芯片及外圍電路完全采用國產(chǎn)芯片，在完成國產(chǎn)化的同時，降低了近35%的材料成本，通過合理匹配電路參數(shù)、嚴格的PCB布板，完全達到了國外芯片的使用效果，最后通過臺架試驗、道路試驗及批量應用證明了該電路的穩(wěn)定性與可靠性。

關鍵詞：背光驅(qū)動；升壓電路；恒流驅(qū)動；可靠性

中圖分類號：U463.7" " " 文獻標志碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）01-0089-06

Design of a Boost Constant-Current Drive Circuit

CHENG Chun-lin1， ZHOU Juan2， DONG Qi-fei1 ， Xiong Zhen-yang1

（ 1. Dongfeng Electric Drive System Co.， Ltd.， Xiangyang 441138， China;

2. Zhengzhou Science and Technology Industrial School， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： Based on the relevant test requirements of a commercial vehicle color screen instrument and the LCD backlight drive requirements， this paper selects BST6025 as the wide-range voltage DC-DC step-down circuit， and SY7203DBC as the DC-DC step-up circuit， and designs a constant-current drive circuit for dimming through changing the PWM duty ratio of series-parallel hybrid LED lighting circuit. The step-down chip， step-up chip and peripheral circuit of the circuit are all made of domestic chips. While completing the localization， the material cost is reduced by nearly 35%. Through reasonable matching of circuit parameters and strict PCB layout， the use effect of foreign chips is fully achieved. Finally， the stability and reliability of the circuit is proved by bench test， road test and batch application.

Key Words： Backlight Drive; Boost Circuit; Constant-Current Drive; Reliability

程春林

畢業(yè)于哈爾濱理工大學，現(xiàn)就職于東風電驅(qū)動系統(tǒng)有限公司技術中心，主要研究方向：汽車電子電路可靠性分析與設計，已發(fā)表論文4篇。

1" " 前言

隨著液晶顯示技術的發(fā)展，液晶屏的成本不斷降低，使得TFT-LCD在顯示領域獲得廣泛的應用。TFT-LCD具有顯示信息豐富、靈活多變、色彩豐富等優(yōu)點，在車載領域有著廣闊的應用前景[1]，而環(huán)保節(jié)能的LED背光驅(qū)動技術更是成為了新興的研究熱點。

LED驅(qū)動電源[2]是把供電電源轉(zhuǎn)換成為特定的電壓電流以驅(qū)動LED發(fā)光的電源轉(zhuǎn)換器，LED驅(qū)動電源可以分為單級恒流驅(qū)動以及DC/DC多級結構二種方式[3]，多級結構電路復雜但可靠性更高，本文介紹了一款以BST6025做為寬范圍DC-DC降壓電路，SY7203DBC做為DC-DC升壓電路，設計了一種通過改變PWM占空比對串并混聯(lián)的LED照明電路進行調(diào)光的恒流驅(qū)動電路，電路采用多級結構。升壓驅(qū)動芯片、降壓驅(qū)動芯片及外圍電路全部采用國產(chǎn)化器件，在完成國產(chǎn)化的同時，降低了近35%的材料成本，通過合理匹配電路參數(shù)、嚴格的PCB布板，完全達到了國外芯片的使用效果。

2" " 背光電路結構

多個LED的連接結構一般包括串聯(lián)、并聯(lián)及串并混聯(lián)三種[4]，本文采用信利的TFT3N0091-E液晶顯示模塊其背光為混聯(lián)模式，電路圖見圖1：

TFT3N0091-E部分參數(shù)如下：

·LCD類型12.3寸IPS TFT a-Si、全透；

·顯示模式常黑（NB）；

·推薦的視角方向?qū)捯暯牵?0/80/80/80deg TYP （U/D/L/R @ C/Rgt;10）） O’Clock；

·模塊外圍尺寸（寬×高×厚）310.75×129.86 ×12.03mm3；

·可視區(qū)域（寬×高） 293.94×111.42mm2；

·有效視區(qū)（寬×高） 292.03×109.51mm2；

·背光類型LED；

·形式Landscape （橫屏）；

TFT3N0091-E要求恒流驅(qū)動320mA，電流在±10%范圍內(nèi)對顯示功能沒有損害，但光學性能會有所下降。背光LED燈要求高溫70℃以上時，需要降低背光電流，以保證液晶能夠工作在安全溫度以內(nèi)≤90℃，背光參數(shù)見表1。

3" " 驅(qū)動電路設計

電路采用降壓再升壓的方式來驅(qū)動LED背光，MCU控制系統(tǒng)控制降壓電路的開與關、升壓電路的驅(qū)動電流，并通過液晶屏反饋的溫度信號進一步控制背光的驅(qū)動電流來完成液晶溫度的控制，電路原理框圖見圖2：

3.1" "電源主電路

電源主電路主要由TVS管DL3、電感LL1、L1及電容C4、C5、C1、C2、E2、E1、C3等構成，其中蓄電池電源+提供整個儀表工作電源，儀表點火電源+做為喚醒信號使用。DL3用于抑制外部電壓及電流的瞬態(tài)干擾，電壓通過電感、電容濾波后提供干凈的輸入電源VIN，原理圖見圖3。

3.2" "降壓輸入電路

降壓輸入電路電壓由MCU通過三極管T1控制MOS管Q1得到VCCLCD_VIN，見圖4：

VCCLCD_VIN經(jīng)過降壓電路BST6025后得到升壓電路需要的VCCLCD_5V電壓，見圖5。

BST6025是一個耐壓60V，輸出電流可達2.5A的降壓調(diào)節(jié)器，內(nèi)部集成一個高邊N溝道MOSFET。為了提高線路和負載瞬變期間的性能，電路采用了一個恒定頻率的電流模式控制，減少了輸出電容并簡化了外部頻率補償設計。在選擇輸出濾波器元件時，100kHz至2500kHz的寬開關頻率可實現(xiàn)效率和尺寸優(yōu)化。在RT/CLK引腳上的對地電阻用來調(diào)整開關頻率。

BST6025的默認啟動電壓約為4V。EN腳具有一個內(nèi)部上拉電流源，通過兩個外部電阻器，可用于調(diào)整輸入電壓欠壓鎖定（UVLO）閾值。此外，上拉電流提供了默認條件，當EN-pin浮空時，芯片將工作。芯片沒有開關動作、空載時工作電流為150μA。當芯片被關斷時，電源電流為5μA。集成的200mΩ高壓側(cè)MOSFET，允許高效電源設計，能夠向負載提供2.5A的連續(xù)電流。集成高壓側(cè)MOSFET驅(qū)動電路的電源由BOOT至PH引腳上的電容提供。啟動電容器電壓由一個UVLO電路監(jiān)控，當啟動電壓低于預設閾值時，將關閉高壓側(cè)MOSFET，BST6025可以在高占空比下工作，輸出電壓最低可以降低到0.8V參考電壓值。BST6025有一個PowerGood比較器（PWRGD），當調(diào)節(jié)的輸出電壓小于92%或大于額定輸出電壓的109%時，該比較器置位。PWRGD腳是一個開漏輸出，當Vsense插腳電壓在額定輸出電壓的94%到107%之間時，該輸出斷開，在使用外部上拉電阻器時，可以輸出為高電平。BST6025利用O V Powergood比較器，將過大的輸出過沖（O V）瞬態(tài)降至最低。當O V比較器被激活時，高壓側(cè)MOSFET被關閉并屏蔽，直到輸出電壓低于107%。SS/TR（慢啟動/跟蹤）引腳在上電期間，用于降低啟動浪涌電流或提供電源上電排序。一個小電容器被耦合到引腳，以調(diào)整軟啟動的時間。一個電阻分壓器可以連接到管腳，以滿足關鍵的電源上電排序要求。SS/TR引腳在輸出上電前，被放電。此放電確保在過溫故障或禁用狀態(tài)后，可重復重啟。此外，BST6025在過載條件下，通過過載恢復對慢啟動的電容器進行放電。一旦排除故障條件，過載恢復電路將使調(diào)壓器輸出從故障電壓到額定調(diào)節(jié)電壓，緩慢啟動。頻率折疊電路在啟動和過流故障條件下降低開關頻率，以幫助控制電感電流。VSNS腳通過改變電阻分壓網(wǎng)絡，實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，參考電壓為0.8V。

BST6025輸入電壓范圍為4.5V至60V，可實現(xiàn)儀表啟動電壓曲線范圍內(nèi)的電壓覆蓋，以滿足發(fā)動機啟動-熱啟動要求，見表2。

3.2.1 開關頻率的設計

BST6025可以在100kHz至2.5MHz的頻率范圍內(nèi)工作，其工作頻率計算如下式：

式中：RT為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；fsw為開關頻率；206033為常數(shù)。

圖5中R6即為公式中RT，其取值為200k，代入式（1）可得到：

該頻率在BST6025工作頻率范圍內(nèi)，滿足使用要求。

3.2.2 輸出電壓參數(shù)設計

在考慮升壓芯片輸入電壓范圍及發(fā)動機啟動 -熱啟動需求的條件下，將降壓輸出電壓定義為5V，根據(jù)BST6025輸出電壓計算公式，如下式：

式中：R1、R2為匹配電阻；VOUT為輸出電壓；0.8為常數(shù)。

圖5降壓電路中的R4、R5分別相當于上式中的R1、R2，取R5為8.2k，則可以計算出R4阻值，如下式：

3.2.3" 降壓電路PCB設計

電源電路開關頻率設定為585kHz，保持轉(zhuǎn)換效率并降低開關頻率。為減少耦合干擾，電路采用最短的信號回流，輸入、輸出地線隔離，防止干擾耦合。輸入電容C8、C9、C10、C11靠近BST6025進行布局，來降低高頻噪音，10腳輸出電壓有著較高的dv/dc的變化率，會包含大量的高頻噪音，因此，此管腳的連線盡量短且粗。具體布線見圖6。

3.3 升壓驅(qū)動電路

升壓驅(qū)動芯片采用矽立杰的DC-DC轉(zhuǎn)換芯片SY7203DBC，該芯片輸入電壓為2.8V至30V，LED驅(qū)動電壓最高可以達到30V，PWM輸入驅(qū)動頻率從20kHz～1MHz，驅(qū)動電流最大可達到4A，原理圖見圖7。

LEDA及LEDK分別接入液晶背光LEDA及LEDK1、LEDK2、LEDK3、LEDK4給液晶背光LED提供320 mA的驅(qū)動電流。

3.3.1" 恒流調(diào)節(jié)電阻的確定

電路中為方便阻值匹配采用了三個電阻R1、R2、R3，可以根據(jù)需要確定阻值及焊接數(shù)量，該阻值可以通過計算獲得，計算見下式：

式中：R為匹配電阻；ILED為輸出驅(qū)動電流電壓；0.2為常數(shù)。

通過表2可知ILED為320mA，則可以計算出：

為方便起見，采用2個1.2?的電阻并聯(lián)，取得阻值為0.6? ，則可以確定最終的驅(qū)動電流為：

根據(jù)背光驅(qū)動條件及使用說明來看，333mA在320±10%范圍內(nèi)，且偏差不大，確認可以滿足使用要求。

3.3.2" 電感L的計算

根據(jù)實際使用需求，電感工作在平均電流的40%比較可靠，因此，計算公式見下式：

式中：L為匹配電感；VIN為輸入電壓；VOUT為輸出電壓；FSW為PWM調(diào)節(jié)輸入頻率；IOUTMAX為最大工作電流。

VIN=5V；VOUT=25V；FSW=1.8MHz；IOUTMAX= 330mA；則L=33uH。

3.3.3 升壓電路PCB設計

電源電路開關頻率設定為1.8MHz，為減少耦合干擾，電路采用最短的信號回流，輸入、輸出地線隔離，防止干擾耦合。輸入電容C1、C2、E1靠近SY7203DBC進行布局，來降低高頻噪音，4、5腳輸出電壓有著較高的dv/dc的變化率，會包含大量的高頻噪音，因此，次管腳的連線盡量短且粗。具體布線見圖8：

3.4" "降壓電路與升壓電路功率匹配

BST6025輸出電壓為5V，穩(wěn)定持續(xù)輸出電流為2.5A，持續(xù)輸出功率12.5W，升壓驅(qū)動芯片SY7203DBC輸出電壓為25V，持續(xù)最大電流330 mA，持續(xù)功率＜8.5W，輸入完全滿足輸出要求。

3.5" "液晶溫度采集及控制

TFT3N0091-E提供一路熱敏電阻輸出，MCU可以通過該電路獲取液晶內(nèi)部的實時溫度，并根據(jù)使用需求對液晶的驅(qū)動電流進行調(diào)整，以保證液晶始終工作在安全溫度范圍以內(nèi)，具體電路見圖9：

熱敏電阻計算公式如下：

式中：Rt為熱敏電阻在T1下的阻值；R為熱敏電阻在T2（25℃）下的標稱阻值；B是熱敏電阻重要參數(shù)；EXP是e的n次方；T1與T2是K度即開爾文溫度。

為保證液晶始終工作在安全溫度范圍以內(nèi)，MCU通過程序?qū)崦綦娮柽M行采樣并獲取液晶實時溫度，當溫度達到控制閾值時進行控制，流程圖見圖10。

4" " 實驗分析

進行了如下試驗：

·發(fā)動機啟動-熱啟動、ISO16750-2 4.6.3，結果滿足Class A要求；

·輻射發(fā)射RE、CISPR 25-2008 6.4，結果滿足Class 3限值要求；

·電源線傳導發(fā)射（電壓法）VCE、CISPR 25-2008 6.2，結果滿足Class 3限值要求；

·信號線傳導發(fā)射CCE、CISPR 25-2008 6.3，結果滿足Class 3限值要求；

·大電流注入BCI、ISO11452-1/4，結果滿足Class A要求；

·電源線傳導抗擾CI、ISO7637-2 中pulse1、pulse2a、pulse2b、pulse3a、pulse3b、pulse4、pulse5b，結果滿足要求Class C、Class A、Class C、Class A、Class A、Class B、Class C要求；

·高溫工作試驗、ISO16750-4 5.1，結果滿足Class A要求；

5" " 應用

該技術方案應用在東風商用車、北汽福田、陜重汽、陜商用車、徐工等多個市場，2019-2021三年累計銷售額超過1.78億，累計利潤達到1949萬元。

6" " 結論

通過臺架試驗、道路試驗及批量應用證明了該電路的穩(wěn)定性與可靠性，可以得出以下結論：

（1）采用BST6025做為寬范圍電壓DC-DC降壓電路，SY7203DBC做為DC-DC升壓電路，設計的一種通過改變PWM占空比對串并混聯(lián)的LED照明電路進行調(diào)光的恒流驅(qū)動電路穩(wěn)定、可靠，完全可以取代進口品牌。

（2）國產(chǎn)器件的使用，不僅打破了國外電子元器件的緊缺問題，也使整體設計的原材料實物成本降低35%，實現(xiàn)電路在原有基礎上信息傳輸效率的提升，極大的優(yōu)化了車用儀表的性價比。

（3）較為全面的介紹了升壓恒流電路的設計、計算、及布板的詳細過程，對進一步實現(xiàn)類似產(chǎn)品的設計提供了一個國產(chǎn)化及降成本的思路，對后續(xù)產(chǎn)品設計具有一定的指導意義。

參考文獻：

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專家推薦語

陸敬泉

東風電驅(qū)動系統(tǒng)有限公司技術中心

主任工程師 高級工程師

本文通過設計相關的降壓和升壓電路，并通過軟件脈寬占空比調(diào)節(jié)的方式對LED照明亮度進行動態(tài)控制。通過縝密的計算及外圍電路設計，實現(xiàn)了可靠的升壓恒流電路，具有較高的理論水平及實際應用價值。