如何设计SiLM4228x系列LED驱动器的热平衡功能及外部分流电阻？

时间： 2023-12-29 来源：数明半导体微信公众号

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本文主要阐述了SiLM4228x系列 LED 驱动器的热平衡功能及外部分流电阻的设计，并且通过实验说明热平衡功能在实际应用中的表现。

LED驱动器

LED驱动器是LED照明系统中的关键组成部分，其性能对整个系统的稳定性和效率具有直接的影响。LED驱动器主要有两种类型：线性稳压器(LDO)和 DC-DC调节器。数明半导体推出的SiLM4228x-AQ 系列独立的三通道LED 驱动器采用的就是线性稳压器的方式。与DC-DC调节器相比，线性稳压器通常只需要较少的外部元件，同时产生的噪声相对较低，对信号的干扰也较小。然而，线性稳压器的工作效率相对较低。特别是在处理大电流时，LDO 的效率问题更加明显，这会导致设备发热严重。SiLM4228x-AQ系列集成了热平衡功能，可以有效减少芯片的发热，从而提升芯片稳定性和使用寿命。

线性驱动芯器芯片功耗计算

为了了解SiLM4228x-AQ系列LED驱动器的热平衡功能是如何实现的，首先需要了解线性驱动器芯片的功耗计算。可以通过输入电压(VIN)、LED驱动器输出串联LED的颗数(Series_LED_Count)、LED的驱动电流(ILED)、LED的前向压降(VF)以及LED的通道数(NCH)来计算LED驱动器上产生的功耗。LED驱动器的总功耗计算公式如下：

以一个具体的示例来说明，当使用 SiLM4228x-AQ系列并关闭热平衡功能来实现如下应用时：

1.输入电压VIN=12V

2.串联 LED 的颗数为2颗

3.LED的驱动电流ILED=120mA

4.LED的压降VF=2.2V

此时SiLM4228x LED驱动器上承受的功耗将达到2.736W。如果无法做到良好的散热，LED驱动器的结温将会急速升高，从而影响芯片的稳定性和使用寿命。

热平衡功能的工作原理

SiLM4228x-AQ系列LED驱动器的热平衡功能是通过优化芯片设计，在LEDxA和LEDxB之间使用外部分流电阻器来共享IC封装功率，通过在 PCB 板上散热来灵活避免热点的产生，实现智能化功率管理。

图1. 具有热平衡功能的典型应用图

SiLM4228x-AQ为每个通道提供两个电流输出路径。电流从电源流入SiLM4228x-AQ集成电流调节电路，并通过LEDxA和LEDxB引脚流向LED ，LEDxA和LEDxB引脚上的电流输出是独立调节的，以实现所需的总电流输出。正常工作时，SiLM4228x-AQ总是尽可能多地调节输出电流至LEDxB 引脚，直到LEDxB电流路径达到饱和。此时，若在LEDxB上串联外部分流电阻器(RSHUNT)，则芯片上的功耗就会被外部分流电阻分担一部分，从而使芯片的功耗降低。LEDxA和LEDxB通道输出电流的分配关系可以用如下计算公式进行计算，其中VLEDxB_sat为0.65V。

如下图2. 显示了输出电流分配随输入电压的变化曲线。

图2. 输出电流分配与输入电压的关系

外部分流电阻的选择

LEDxB上串联的外部分流电阻会最终决定LEDxA和LEDxB上的电流分布，所以可以按照将外部分流电阻上的功耗等于总功耗的50%的原则来选取外部分流电阻。外部分流电阻(RSHUNT)的选取公式如下：

为了验证SiLM4228x-AQ系列LED驱动器的热平衡功能，使用上面提到过的应用配置，则可以得到LEDxB上串联的外部分流电阻为126.7Ω，实际应用中采用125Ω的外部分流电阻。此时各通道上的功耗随输入电压的关系如下图所示：

图3. 单通道功耗随输入电压的关系

此时，SiLM4228x LED驱动器上承受的功耗为1.62W，功耗降低了40%。实际应用中，通过合理的调节外部分流电阻器的大小，来减小SiLM4228x LED 驱动器上的功耗。

另外值得注意的时，在选取外部分流电阻时，我们应当时刻关注外部分流电阻上的功耗，根据功耗选取合适的封装。此应用中所用的分流电阻承受的功耗为0.417W，外部分流电阻至少要用到2010的封装(2010封装贴片电阻的最大功率为0.75W)。外部分流电阻上的功耗可以采用如下公式进行计算:

实验结果

在相同的输入/输出功率情况下，使用和未使用外部分流器的芯片温升的差别如下图所示。未使用热平衡功能时，芯片的最高温度达到了131.3℃，而在启用热平衡功能后，芯片表面温度下降到了85.8℃。

图4. 未使用外部分流器

图5. 使用外部分流器

综上所述，SiLM4228x-AQ系列独立的三通道LED驱动器不仅具有线性稳压器的优点，还通过集成热平衡功能有效解决了效率低下时发热严重的问题。它的成功应用将为LED照明系统带来更稳定、更高效、更长寿命的性能提升。

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