PT4121應(yīng)用說明

產(chǎn)品功能:50V降壓型，高亮度恒流控制器  

常規(guī)應(yīng)用

DC輸入：12V/24V

DC輸出：10V/3A、10V/6A

文件編號(hào):PT4121_AN01
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版本  1.0

PT4121產(chǎn)品概況

PT4121特點(diǎn)

●很寬的輸入電壓范圍：6V到50V

●效率高達(dá)97%

●3%的輸出電流精度

●復(fù)用DIM引腳進(jìn)行LED開關(guān)、模擬調(diào)光與PWM調(diào)光

●RCS開路保護(hù)

●LED開短路保護(hù)

●熱關(guān)斷保護(hù)

●SOT23-6封

PT4121概述

  PT4121是一款工作在連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓型恒流控制器，用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)LED，輸出電流精度高達(dá)3%。PT4121輸入電壓范圍從6V到50V，輸出電流可調(diào)。其采用高端電流采樣電阻設(shè)置LED平均電流，并通過DIM引腳進(jìn)行模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。

PT4121典型應(yīng)用電路

PT4121工作原理介紹

PT4121和電感（L）、電流采樣電阻（RS）、MOSFET形成一個(gè)自振蕩的連續(xù)電感電流模式的降壓型恒流LED控制器。

VIN上電時(shí)，電感（L）和電流采樣電阻（RS）的初始電流為零，LED輸出電流也為零。這時(shí)候，CS比較器的輸出為高，功率開關(guān)導(dǎo)通，電流通過電感（L）、電流采樣電阻（RS）、LED和功率開關(guān)從VIN流到地，電流上升的斜率由VIN、電感（L）和LED壓降決定，在RS上產(chǎn)生一個(gè)壓差VCSN， 當(dāng)(VIN-VCSN)  >  230mV時(shí)，CS比較器的輸出變低，功率開關(guān)關(guān)斷，電流以另一個(gè)斜率流過電感（L）、電流采樣電阻（RS）、LED和肖特基二極管（D），當(dāng)(VIN-VCSN)< 170mV時(shí)，功率開關(guān)重新打開，這樣使得在LED上的平均電流為

關(guān)鍵元件參數(shù)設(shè)計(jì)

PT4121輸出電流的設(shè)置

上述等式成立的前提是DIM端懸空或外加DIM端電壓高于2.5V（但必須低于5V）。實(shí)際上，RS是設(shè)定了LED的最大輸出電流，通過DIM端，LED實(shí)際輸出電流能夠調(diào)小到任意值。

  高端電流采樣結(jié)構(gòu)使得外部元器件數(shù)量很少，采用1%精度的采樣電阻，LED輸出電流控制在±3%的精度。

PT4121的VCC電容的選擇

  PT4121的VCC電壓為5V，推薦典型耐壓值為10V，1μF，X5R或X7R的瓷片電容。當(dāng)輸出電流很大時(shí)，為防止VCC出現(xiàn)欠壓導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力不足，可以適當(dāng)加大VCC電容來增強(qiáng)柵極驅(qū)動(dòng)能力。

PT4121外置MOSFET的選擇

  PT4121的Gate輸出端需驅(qū)動(dòng)一個(gè)外置的NMOS管，MOS管的選型主要需要考慮額定電壓、額定電流、導(dǎo)通電阻、Qg、V_GS(th)等。

  ①Q(mào)g 當(dāng)開關(guān)頻率≤100KHz時(shí)，推薦選擇Qg≤25nC的MOSFET；當(dāng)開關(guān)頻率≥100KHz時(shí)，推薦選擇Qg≤15nC的MOSFET。

  ②額定電壓 針對(duì)輸入電壓為12V或者24V的應(yīng)用，額定電壓為60V的MOSFET可以滿足要求。

  ③VGS(th)柵極驅(qū)動(dòng)電壓為5V，MOS管開啟閾值VGS(th)需要小于5V，為了留有充足的裕量，VGS(th)建議選取2~3V。

  ④導(dǎo)通電阻 輸出大電流條件下，為降低導(dǎo)通損耗提高效率，MOS管的導(dǎo)通電阻Rdson建議選擇小于50mΩ(TA=25℃)。

  ⑤額定電流  輸出電流小于3A時(shí)，選取額定電流為5~10A的MOSFET；輸出電流大于3A時(shí)，選取額定電流為10~20A的MOSFET。

PT4121續(xù)流二極管的選擇

 為了保證最高的效率以及性能，二極管（D）應(yīng)選擇快速恢復(fù)、低正向壓降、低寄生電容、低漏電的肖特基二極管，電流能力以及耐壓視具體的應(yīng)用而定，但應(yīng)保持30%的余量，有助于穩(wěn)定可靠的工作。

  另外值得注意的一點(diǎn)是應(yīng)考慮溫度高于85°C時(shí)肖特基的反向漏電流。過高的漏電會(huì)增加系統(tǒng)的功率耗散。

  AC12V/24V整流二極管（D）一定要選用低壓降的肖特基二極管，以降低自身功率耗散。

PT4121輸入電容C1的選擇

  輸入電容需要吸收輸入端的開關(guān)電流，要求承受充足的紋波電流有效值。輸入電容的紋波電流有效值I_C1可按如下公式計(jì)算：

當(dāng)輸入電壓是輸出電壓的2倍時(shí)，I_C1最大，為I_{OUT /2}。因此，推薦選擇紋波電流有效值大于輸出電流的1/2，典型耐壓值為50V，容值≥22μF，X7R或者更高等級(jí)的瓷片電容。

PT4121電感L1的選擇

 選擇電感時(shí)，需要考慮以下方面：

 1.  選擇較低的電感值會(huì)提高開關(guān)頻率，增大開關(guān)損耗。大部分應(yīng)用建議選擇開關(guān)頻率在100kHz至500kHz（典型值200KHz），建議紋波電流選取大約為開關(guān)電流峰值的30%，則對(duì)應(yīng)的電感L1可通過以下公式計(jì)算：

其中f_SW為開關(guān)頻率，I_LED為LED輸出電流。

2. 輸出電流為I_OUT時(shí)，選擇的電感的額定飽和電流值大于電感的峰值電流，至少留有30%的裕量即I_SAT=1.3I_LP。電感的峰值電流I_LP可按如下公式計(jì)算：

I_OUT為LED輸出電流。

3. 在開關(guān)頻率較高時(shí)，電感的DCR內(nèi)阻和磁心損耗必須足夠低才能實(shí)現(xiàn)要求的效率指標(biāo)。建議選擇一個(gè)DCR內(nèi)阻小于50 mΩ 電感來實(shí)現(xiàn)高的總效率。

4. 輸入電壓24V，輸出電壓10V，輸出電流6A時(shí)，推薦電感值為22μH；輸入電壓24V，輸出電壓10V，輸出電流3A時(shí)，推薦電感值為33μH。

PT4121輸出電容C2的選擇

  對(duì)應(yīng)大部分應(yīng)用，可不使用輸出電容。如果需要減少輸出電流紋波，一個(gè)最有效的方法即在LED的兩端并聯(lián)一個(gè)容2.2μF的電容可滿足大部分需求。適當(dāng)?shù)脑龃筝敵鲭娙菘梢砸种聘嗟募y波. 需要注意的是輸出電容不會(huì)影響系統(tǒng)的工作頻率和效率，但是會(huì)影響系統(tǒng)啟動(dòng)延時(shí)以及調(diào)光頻率。

PT4121模擬調(diào)光

 DIM端可以外加一個(gè)直流電壓(V_DIM)調(diào)小LED輸出電流，最大LED輸出電流由（0.2/RS）設(shè)定。

LED平均輸出電流計(jì)算公式：

PT4121的PWM調(diào)光

LED的最大平均電流由連接在VIN和CSN兩端的電阻RS決定，通過在DIM管腳加入可變占空比的PWM信號(hào)可以調(diào)小輸出電流以實(shí)現(xiàn)調(diào)光，計(jì)算方法如下所示：

通過PWM調(diào)光，LED的輸出電流可以從0%到100%變化。LED的亮度是由PWM信號(hào)的占空比決定的。例如PWM信號(hào)25%占空比，LED的平均電流為(0.2/RS)的25%。建議設(shè)置PWM調(diào)光頻率在100Hz以上，以避免人的眼睛可以看到LED的閃爍。PWM調(diào)光比模擬調(diào)光的優(yōu)勢(shì)在于不改變LED的色度。PT4121調(diào)光頻率最高可達(dá)20kHz.

PT4121軟啟動(dòng)

  輸出電流很大且輸入電壓源輸出電流能力有限時(shí),可通過在DIM接入一個(gè)外部電容C6至GND，使得啟動(dòng)時(shí)DIM端電壓緩慢上升，這樣LED的電流也緩慢上升，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)同時(shí)可避免輸入電壓源被限流。建議電容值選取0.47μF的0805瓷片電容,在電容兩端加肖特基二極管到VIN加速電容放電可解決連續(xù)開關(guān)機(jī)IC無法正常啟動(dòng)的情況。

PT4121 IC過熱保護(hù)

  PT4121內(nèi)部設(shè)置了過溫保護(hù)功能（TSD）,以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。當(dāng)IC 芯片溫度超出150℃，IC即會(huì)進(jìn)入TSD保護(hù)狀態(tài)并停止電流輸出，而當(dāng)溫度低于130時(shí)，IC即會(huì)重新恢復(fù)至正常工作狀態(tài)。

PCB Layout注意事項(xiàng)

合理的PCB布局設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)芯片的穩(wěn)定工作是至關(guān)重要的。

1.  當(dāng)輸入電容離芯片的VIN引腳水平距離很遠(yuǎn)時(shí)，寄生電感會(huì)較大，上電過程中較大di/dt在寄生電感上產(chǎn)生的噪聲會(huì)影響芯片的采樣，致IC工作出現(xiàn)異常。避免上述問題，需在靠近芯片VIN引腳至GND并聯(lián)一個(gè)0.1μF的瓷片電容。

錯(cuò)誤的PCB Layout示意圖1：

正確的PCB Layout示意圖2：

較好的PCB Layout示意圖3：

2.電流采樣電阻Rs盡可能靠近芯片VIN與CSN引腳以減小電流采樣誤差；

3.電流環(huán)路，包括輸入電容、采樣電阻、電感、肖特基二極管，應(yīng)盡可能短；

4.為了有效地減小電流環(huán)路的噪聲，輸入旁路電容建議單點(diǎn)接地。輸入電容C1的地與MOS管Q1的地均為功率地，芯片U1的地為信號(hào)地，正確的做法是“MOS管Q1的地先與輸入電容C1的地連接然后再由輸入電容的單點(diǎn)地連接至芯片U1的地”。示意圖如下：

5.MOS 管的DRAIN端是開關(guān)節(jié)點(diǎn)，走線盡可能短且遠(yuǎn)離芯片，以減小電感的輻射。

PCB Layout參考圖

PT4121電路散熱注意事項(xiàng)

  當(dāng)系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度較高及驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載時(shí)，必須要注意避免系統(tǒng)達(dá)到功率極限。在實(shí)際應(yīng)用中，要求達(dá)到每25mm²的PCB 大約需要1oz 敷銅的電流密度以有利于散熱。若PCB板允許，請(qǐng)盡量多敷銅，并連接至電源的GND，以吸收電感的干擾，也有利于散熱。

PT4121應(yīng)用注意事項(xiàng)

  ①為避免焊接內(nèi)部無ESD保護(hù)電路的MOSFET時(shí)被靜電損壞,建議在MOSFET的GS端加一10K~100K的0805貼片電阻。

  ②輸出負(fù)載使用電子負(fù)載的CV模式時(shí)，由于電子負(fù)載響應(yīng)速度較慢，當(dāng)無輸出電容或輸出電容較小時(shí)，PT4121會(huì)出現(xiàn)工作異常。改善的措施：加大輸出電容，延長啟動(dòng)時(shí)間，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間大于電子負(fù)載響應(yīng)時(shí)間時(shí)，PT4121在CV模式下也能正常工作。

  ③測(cè)試PT4121開關(guān)機(jī)及動(dòng)態(tài)性能時(shí)，輸出負(fù)載務(wù)必采用LED燈。

  ④焊接PT4121時(shí)，注意2腳CSN、3腳DIM沾錫短路。由于CSN是高壓腳，DIM是低壓腳，若兩者沾錫短路，上電瞬間，DIM腳將被高壓擊穿，芯片將損壞。

  ⑤當(dāng)輸出功率很大如10V/6A時(shí)，啟動(dòng)瞬間輸入電流過沖會(huì)很大，若超出DC電源電流設(shè)定的最大值，會(huì)觸發(fā)電流保護(hù)，把輸入電壓拉下來，使芯片工作異常，且MOS管處于常通狀態(tài)，長時(shí)間處于此工作狀態(tài)會(huì)使MOS管過熱損壞。

改善措施1：使用能提供更大電流能力的DC電源；

改善措施2：使用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻減小開機(jī)瞬間輸入過沖電流；

改善措施3：通過EN來控制開關(guān)機(jī)；

改善措施4：在DIM腳加瓷片電容延長啟動(dòng)時(shí)間。