本应用说明详细介绍了MAX25014 4通道背光高亮度LED驱动器的低输入电压应用。提出了一种考虑集成电路和外部元件贡献的效率计算方法，并提出了在这种情况下如何降低功耗的方法。MAX25014是一个峰值电流模式控制的LED驱动器，它可以驱动多达四个不同配置的LED串。本应用笔记重点介绍其升压拓扑，其中LED串正向电压始终高于输入电源电压范围。假设LED驱动器始终保持在连续导通模式(CCM)。

MAX25014具有以下几个特点:四个集成电流输出，每个输出可吸收高达149mA的LED电流，集成扩频和移相，I(2) c控制脉宽调制(PWM)调光和混合调光，以及400kHz和2.2MHz之间的可编程开关频率。设备开机后可低至2.5V电源工作。

低输入电压升压变换器的工作和效率

在分析升压变换器在低输入电压下的性能之前，必须介绍一些LED驱动器参数的初步定义。

驱动LED串所需的总输出电流(ILED)为:

其中I(STRING)是每个字符串的当前值，N(STRING)是字符串的个数。

驱动LED串所需的电压(V(LED))为:

其中V(OUT_)是指OUT_引脚调节电压(约等于1V)， V(F)是每个LED上典型的预期正向压降，N(LED)是每个串中LED的数量。

占空比(D)的计算很简单:

其中V(D)为整流二极管的正向压降(约0.6V)， VIN为输入电源电压，单位为伏特。

在给定的输入电压值下，包括预期的变换器效率(η(EXP))，占空比和LED电流决定了平均电感电流(IL(AVG))为:

既然确定了平均电感电流，则电感峰值电流(ILP)为:

式中得尔塔I(L)为电感器峰间电流纹波，单位为安培(A)。通常考虑电感器平均电流的±30%作为最大峰间纹波，得尔塔I(L)为:

与大多数升压稳压器一样，MAX25014使用从设备输入供电的内部LDO稳压器，为IC内的数字控制电路提供较低的电压功率。

当升压转换器的LDO稳压器输入低于5.8V(类型)切换阈值时，MAX25014可以通过将LDO稳压器输入从升压转换器的输入切换到输出来维持外部MOSFET的V(CC) = 5V驱动。这可以防止LDO输出电压崩溃，这限制了栅极驱动器适当增强外部MOSFET的能力。因此，当电流通过器件时，它使其在更高的电阻状态下工作，从而以热的形式产生更高的功率耗散。另外，LDO本身耗散的功率在低输入电压下变得更高，如后面一节所示。

与低侧MOSFET漏源电阻(P(RDSON))的散热相关的功率损耗称为传导损耗。

除了导通损耗外，还必须考虑来自低侧MOSFET和高侧二极管(PSW, M和PSW, D)的开关损耗:这些损耗随着升压开关速度的增加而增加。因此，当编程开关频率高于1MHz时，当输入电压低于切换电压时，MAX25014将其降低30%，以减少散热。

由于在非常低的输入电压和高开关频率下，升压变换器的效率降低，并且输入电流可以达到非常高的水平，因此在IC中实现了所描述的特征。因此，MOSFET的总损耗会变得严重并产生相当大的热量。

除外部开关外，电感器是造成功率损耗的另一个重要因素。电感总损耗(P(L))可分为欧姆损耗和铁心损耗。前者与电感的绕组电阻(R(DCR))有关，而后者直接取决于开关频率。如果不了解芯材的详细特性，就不容易对其进行建模，因此在本分析中被忽略。电感器的绕组电容也将在后面的段落中忽略。

NGATE保护开关(P(NGATE))和自由旋转二极管(P(diode))的导通损耗结束了对外部元件功耗的分析。综上所述，可以得到外部总损失P(EXT):

IC本身的功耗也必须考虑，尽管它对整体系统效率的影响很小。主要损耗来自集成稳压块(P(LDO))、电流汇(P(SINK))、栅极电荷(P(GATE_CHARGE))和静态电流消耗(P(Q))，形成总IC损耗(P(IC))如下:

(式1)、(式2)、(式7)、(式8)共同计算出变换器的效率(η)为:

计算出η后，必须迭代更新式4中的效率校正因子，设置η(EXP) = η，以获得越来越精确的IL(AVG)值，直到两个效率值匹配为止。

功率损耗因素的详细描述

介绍各组件功耗的获取方法。从IC损耗出发，首先需要计算内部LDO稳压器所需的电流平均值:

其中Q(G)为所选外部MOSFET开关的总栅极电荷，f(SW)为变换器的开关频率。

则内部稳压器耗散的功率为:

电流汇、栅极电荷和静态或待机消耗损耗分别计算为:

IC的静态电流IQ值可以从MAX25014数据表中的器件EC表中检索。

上一节提到的与外部元件有关的传导损耗由下式给出:

式19中的R(DSON_NGATE)为NGATE保护开关的漏源电阻。

可以使用栅极驱动电流、漏极电流和漏极电压波形的简化线性近似来计算MOSFET开关损耗的粗略估计:

t(LX)可以通过考虑MOSFET导通过程中两个不同开关过渡期间的栅极驱动电流来估计:

I(G2)电流将器件的输入电容从V(TH)充电到V(GS,Miller)， I(G3)电流使C(rss)电容放电，漏极电压从V(LED)下降到0V。V(GS,Miller)和V(TH)参数可在所选MOSFET的数据表中找到，RHI是栅极驱动器的高侧电阻(该值在MAX25014数据表中显示)，R(G)是MOSFET内部和外部栅极电阻的总和。

则两个切换过渡时间为:

C(ISS)和C(RSS)电容也是mosfet特定的参数，它们的典型值可以在器件的数据表中找到。将t2和t3相加，得到所需的t(LX)时间:

整流二极管上的开关损耗，发生在从导电状态到非导电状态的转换中，已知比MOSFET上的开关损耗低，并且，近似地说，被认为是:

数值模拟与台架试验结果的比较

上一段介绍的公式从理论上评估了MAX25014升压变换器在不同输入电压下的效率。数值结果与在MAX25014评估板上进行的效率测量进行了比较，MAX25014评估板驱动四个8和9 led串，每个串的恒电流为120mA，开关频率为2.2MHz。假设每个LED都有一个典型的预期正向压降，LED驱动电路必须由12V到4V的输入电压馈送。评估板上使用的主要外部元件的值和零件号如图2所示。

除了图2中已经显示的值外，用于数值模拟的组件特定值列在表1中。

图3和图4显示了两种情况下的效率比较结果。

结论

本应用笔记介绍了影响MAX25014升压效率的主要因素，重点介绍了该器件在施加低输入电压时的表现。总功率损耗的估计，虽然是一阶的近似值，但与台架测量值有很好的匹配。