优化设计MAX4990高电压DC-AC转换器，用于EL灯驱动

优化设计MAX4990高电压DC-AC转换器，用于EL灯驱动

摘要：场致发光(EL)灯上的交流波形(电压和频率)直接影响灯的亮度、电流大小以及辐射光的颜色，调整输出波形摆率会影响灯本身产生的音频噪声。因此，必须根据每一应用的需求优化MAX4990电路。本应用笔记提供了电路优化的相关信息，介绍MAX4990采用的最佳外部元件。

引言

MAX4990是设计用于驱动场致发光(EL)灯的高压DC-AC转换器。为产生驱动EL面板需要的高压，MAX4990采用了一个高频升压变压器，以及一个高电压、全桥输出级来产生适合驱动EL灯的高压交流波形。MAX4990的专用音频噪声抑制电路控制驱动EL面板的AC电压摆率，从而减小了音频噪声。

MAX4990提供DIM引脚，使用户能够通过PWM或者直流模拟电压，或者连接一个电阻至GND，设置EL输出电压。利用DIM引脚上和电阻并联的一个电容，用户可以设置MAX4990慢接通/关断时间。

EL灯的亮度、电流大小和辐射灯光的颜色受到灯上交流波形(电压和频率)的影响。调整输出波形摆率会影响灯本身产生的音频噪声。因此，必须根据每一应用的需求来优化MAX4990电路。本应用笔记讨论MAX4990应采用的电路优化措施，以及外部元件的选择。

EL灯及其属性

EL灯在制造中采用了绝缘材料上均匀分布的磷粒子光辐射层。这些层夹在底层电极和透明电极中间，在电极上覆盖了保护聚合层。

一般可以把EL灯当做电容，如图1所示。


图1. 简化的EL灯结构图，显示了其电阻和电容

当EL灯电极被加上交替改变的电压时，上能级的磷电子(价电带)被激发，跃迁到更高能级。然而，高能级不稳定，所以，被激发的电子返回到最初能级，释放一个光子。由于磷粒子均匀分布，因此，EL灯辐射的光在灯表面看起来非常柔和。

频率变化会影响辐射光的颜色，而电压和频率都会影响EL灯的亮度。提高电压或者频率会增强灯的亮度，但也会影响灯的使用寿命。一般而言，和提高电压相比，提高灯的频率(f_EL)会更迅速减少灯使用寿命。EL灯的使用寿命一般采用亮度减半时的工作时间(TTHL)，即，“半亮度寿命”时间表示，它是在一定电压和频率下，EL灯亮度降至最初亮度一半时的时间。TTHL标准通常由EL灯生产商提供，规定以千小时表示。手持产品中，灯不需要始终打开，TTHL一般不是大问题。

一般有两类EL灯：高压EL灯和低压EL灯。高压EL灯阈值电压要比低压EL灯高得多，意味着高压EL灯需要较高的峰峰值电压才能点亮。高压EL灯需采用变压器驱动电路进行驱动，而低压EL灯采用基于IC的EL驱动电路进行驱动。因此，针对每一应用选择合适的EL灯是优化电路的第一步。

MAX4990电路优化

电路优化包括选择外部元件，以满足每一EL面板应用需要的参数。这些参数包括：输出电压、电流、灯频率、灯亮度要求、灯产生的音频噪声，以及输出波形等。

DC-DC转换

通过升压变压器来产生较高的直流输出电压。升压变压器(图2)包括：内部DMOS开关(Q)、内部开关振荡器、外部电感(L_X)、外部快速逆向恢复二极管(D)，以及外部高压电容(C_S)。


图2. 用于产生较高直流输出电压的升压变压器

当开关Q接通/关断时，电感L_X被冲放电。通过二极管D释放的能量存储在电容C_S中。

可以按照以下方法设置L_X的开关频率(f_SW)：

1. SLEW和SW引脚上的R_SLEW电阻和C_SW电容(分别)连接至GND，如图3所示。
   
   
   图3. SLEW引脚上的电阻和SW引脚上的电容一起用于计算L_X开关频率
   
   按下式计算L_X开关频率：
   
   
   
   
2. 直接将PWM信号驱动至SW引脚，如图4所示。
   
   
   图4. 90%占空比PWM信号被驱动至SW引脚
   
   

由于需要确定升压变压器是否能够提供应用所需要的电流，而且不会导致电感饱和，因此，电感的选择非常重要，必须非常小心电感的电流饱和电平。按下式来计算电感(I_LX)上的电流：



其中：
V_IN = 电感供电电压
R_LX = 电感阻抗
L_X = 电感值
R_Q = 内部DMOS开关阻抗
f_SW = 电感开关频率
t_ON = (占空比)/f_SW = 内部MOSFET开关接通时间

在确定电感是否饱和时，如果没有电流探针，则必须监控L_X和D (图5)之间节点上的波形。


图5. 红色圆圈显示，应在此放置示波器探针来探测电感是否饱和

图6显示，怎样探测电感是否进入饱和状态。下面的电压波形并没有线性增加，而是弯曲向上，表明电感开始饱和。


图6. 当波形弯曲向上，而不是线性增加时，表明电感开始饱和

在正常工作范围内的电感波形与图7中的相似。下面的电压波形线性增加，表明电感没有饱和。


图7. 下面的波形线性增加表明没有出现电感饱和

为防止电感出现饱和，必须使用较短的接通时间(快速f_SW)。这可以在SW引脚至GND之间使用较小的C_SW来实现，也可以使用频率较高的PWM信号来实现。

我们还需要确定L_X有足够的时间通过外部二极管将其存储的能量释放给C_S，从而防止电感饱和。这通过为L_X选择合适的f_SW来实现。

由于二极管必须含有从L_X传送给C_S的所有能量，所以，二极管的逆向恢复时间非常重要。因此，建议MAX4990采用逆向恢复时间较快的二极管，例如BAS21或者BAS20等。

需要根据灯大小以及输出波形能够承受的波纹量来选择C_S值。一般而言，建议使用的C_S值是EL灯电容的值1/10。对于任意给定的f_SW，较大的C_S值减小了输出波形的波纹。当选择较小的C_S值时，一般建议采用较大的电感开关频率。

EL灯的输出波形

MAX4990使用高电压、全桥输出级将升压变压器产生的高电压转换为适合驱动EL面板的交流波形。调整输出电压、输出波形摆率、慢接通和关断，以及输出波形频率来最大程度地优化电路，针对每一应用获得最佳结果。

EL驱动电路优化取决于很多不同的变量。电路优化的最佳方法是针对每一应用对变量进行优先级排列。例如，由于EL灯用于背光目的，灯亮度可以设置为固定值，从而减少了对变量的设置，简化了优化过程。

EL灯的辐射光亮度和颜色取决于输出电压频率。根据灯的颜色，必须使用不同的频率范围。

优化输出波形的第一步是基于所需要的灯颜色来选择合适的f_EL。

通过以下方法来调整灯频率：

1. SLEW和EL引脚的R_SLEW电阻和C_EL电容(分别)连接至GND。按下式计算f_EL：
   
   
   
   
2. 在EL引脚加上时钟信号。在这一例子中，f_EL是时钟频率的1/4。

灯亮度随频率的提高而增强，如图8所示。请记住，在输入电压不变，当f_EL增大时，需要更大的电流值来驱动灯。


图8. EL灯的亮度和频率同时增大

选择了f_EL之后，必须选择灯的峰峰值电压(V_P-P)，以获得所需的亮度。通过以下方法来控制交流V_P-P：

1. R_DIM和R_SLEW组合，按下式计算：
   
   
   
   
2. 在DIM引脚加上PWM信号。PWM信号的占空比在内部从0转换到1.22V。
3. 在DIM引脚加上DC电压。将DC电压从0.35V提升到1.3V，使灯V_P-P电压从70V增大到250V。

随着灯上输出电压的增大，EL灯亮度也随之增强(请参考图9)。要提高灯上的电压，需要从电感输入电压源吸收较大的电流。


图9. 随着V_P-P的增加，EL灯亮度也随之增强

对于对音频噪声敏感的应用，输出波形摆率非常重要，因为用户可以通过它来调整输出波形，从而减小EL灯产生的音频噪声。

通过R_SLEW来控制输出波形的摆率，该电阻连接在SLEW引脚和GND之间。可以按照下式来计算这一摆率：



理想的输出摆率能够减小灯产生的音频噪声，它与灯的大小和机械封装有关。因此，在针对灯选择f_EL时，必须考虑封装的共振频率。

在降低灯产生的音频噪声时，一般认为正弦波形是最佳选择。然而，在一定的电压和频率下，正弦波产生的亮度要比方波低。因此，必须根据每种应用的需要来优化每一电路。

随着输出波形摆率的降低，EL灯产生的音频噪声随之降低，吸收的电流也在减小。而较慢的摆率会降低灯亮度，如图10所示。


图10. 灯亮度随着摆率的降低而降低

要恢复由于摆率降低导致的亮度损失，需要提高灯的V_P-P。这很容易通过提高输出电压，在给定输入电压下使用较低的f_SW实现。较低的f_SW延长了电感接通时间，使电感能够存储更多的能量，在每个周期中把更多的能量传送给C_S。

在对音频噪声敏感的应用中，不建议对输出波形进行稳压(即，输出波形在顶部不应有平台)。针对应用选择了摆率后，必须调整输出电压以获得灯上的最佳波形。

当使用MAX4990时，对于音频噪声敏感的应用，其最佳波形如图11所示。


图11. 适合对音频噪声敏感应用的波形

MAX4990还具有另一特性，使其更适合很多应用—其慢接通/关断时间实现了EL灯逐渐接通(渐亮)和关断(渐暗)。

通过将电容C_DIM和R_DIM并联至GND来控制这一慢接通/关断特性(图12)。


图12. C_DIM与R_DIM并联至GND

慢接通/关断时间是R_DIM和C_DIM上电压缓慢减小的结果，可以按下式来近似计算：





图13显示了使用C_DIM和并联R_DIM后对EL灯慢接通/关断的影响。


图13. C_DIM与R_DIM并联至GND时，MAX4990的慢接通/关断

优化MAX4990电路

当使用MAX4990来优化EL灯电路时，必须按照以下步骤来进行：

1. 使用R_SLEW = 100kΩ。以后可以改变R_SLEW来优化/减小灯产生的音频噪声。
2. 根据输入电压以及灯大小来选择电感值。一般而言，当使用MAX4990，驱动灯时，建议电感值在100µH至330µH的范围。从您的供应商那里，针对自己的应用来选择合适的电感(请参考MAX4990数据资料的第11页，了解所推荐的电感)。
3. 选择合适的C_SW值，设置f_SW初始值，防止电感饱和，提供灯上所需要的输出电压。建议选择较小的C_SW值，以较快的f_SW开始，然后提高这一数值，以保证电感不会进入饱和。
4. 选择C_EL初始值，提供合适的f_EL，以减小R_SLEW值。
5. 为获得所需的亮度，通过选择合适的R_DIM值来设置输出电压。
6. 在1nF至10nF之间选择C_S值，使输出波形顶部的波纹最小。一般而言，对于体积较大的灯，需要使用较大的C_S值。如果采用了某一C_S值，重新调整f_SW，以减小输出波形顶部的波纹。在大多数情况下，EL灯电容1/10的C_S值足够了。
7. 根据您具体应用的音频噪声要求，使用合适的R_SLEW值，选择合适的输出摆率(dV/dt)。音频噪声随着灯上波形摆率的减小而降低。
8. 根据所选的R_SLEW值，调整C_SW和C_EL值，获得合适的灯和电感开关频率。在大多数情况下，只需要调整C_EL就可以获得所需的f_EL。
9. 通过调整R_DIM值，再次设置输出电压，以获得所需的亮度。
10. 重复步骤2到步骤8，直到您对实际应用的输入电压的电流吸收感到满意。
11. 根据设置的R_DIM值来选择C_DIM，以获得所需的慢接通/关断时间。

使用MAX4990评估套件进行电路优化

MAX4990评估套件(EV kit)对实际应用电路进行初步优化。利用该评估套件，用户能够通过单独的板上可调电容和电阻来设置f_SW、f_EL、输出电压和输出波形的摆率。

利用板上的555定时器，用户可以选择不同的电感开关频率以及f_EL，不需要改变C_SW和C_EL值，R_SLEW值不会对这些频率有影响。

建议采用以下仪表设备来优化MAX4990电路：

1. 电源。
2. 万用表和电源串联以测量电流吸收。
3. 双通道示波器来监视波形，以及灯上波形的变化(一个通道连接V_A，另一通道连接V_B；如果需要，在V_B置反信号上增加V_A来观察灯上的差分电压)。
4. 需要灯生产商提供的电压和频率亮度测量标准或者规范，以获得一定的亮度。

以下过程详细介绍了在驱动20nF绿灯时，如何使用MAX4990评估套件优化电路，当V_DD = V_BATT = 3.6V时，提供37cd/m²，f_EL = 400Hz。注意，评估套件使用的电感是TOKO提供的220µH电感(D312C系列，序号1001BS-221M)，其C_S值是3.3nF (150V)。

在MAX4990评估套件中使用555定时器来优化电路时，需要按照以下步骤在JU4和JU5上放置跳接器：

1. JU1位于2和3之间，设置VR1为0Ω。正确设置JU4和JU5跳线。
2. 使用3.6V电源对评估套件供电，EL灯与电源连接，JU8置位。
3. 使用VR3设置f_EL为400Hz。
4. 使用VC1将电流消耗置为最小值。
5. JU3放置在1和2之间，使用VR2设置输出电压，使电路不在稳压状态。这意味着，输出波形顶部没有平台，如图14所示。
   
   
   图14. MAX4990评估套件没有处于稳压状态
   
   V_DD = 3.6V时，测量以下参数：
   I_DD = 26mA、亮度 = 24.6cd/m2、R_SLEW = 100kΩ (R1 = 100kΩ，评估套件上VR1 + R1)、R_DIM = 73.8kΩ。
   
   
6. 测量f_SW。这可以通过扩展V_A或者V_B的时间量程来实现，直至看到输出波形的最小步长，如图15所示。
   
   
   图15. 可以测量步长时间来确定f_SW
   
   观察V_A或者V_B的上1/3，测量步长宽度(t_STEP)，计算：
   
   
   
   
7. 通过VC1改变f_SW，增加输出电压，使其能够提供所需的亮度(图16)。
   
   
   图16. 达到了足够的亮度级
   
   V_DD = 3.6V时，测量以下参数：
   I_DD = 46mA、亮度 = 35.2cd/m²、R_SLEW = 100kΩ、R_DIM = 73.8kΩ
   
   
8. 检查波形，确定电感没有饱和，如图17所示。
   
   
   图17. 波形显示没有出现电感饱和
   
   
9. 按照步骤6的方程8计算f_SW (图18)。
   
   
   图18. 测量步长时间来确定f_SW
   
   
10. 对于对音频噪声敏感的应用，重复进行步骤5 (图19)。
    
    
    图19. 波形没有平台，显示器件没有处于稳压状态
    
    V_DD = 3.6V时，测量以下参数：
    I_DD = 53mA、亮度 = 38.5cd/m²、R_SLEW = 100kΩ、R_DIM = 87kΩ
    
    
11. JU1位于2和3之间，使用VR1来改变输出波形上升沿和下降沿的摆率。注意，较快的摆率(dV/dt)提供较强的亮度，但也导致EL灯产生较大的音频噪声(图20)。
    
    
    图20. 摆率调整
    
    V_DD = 3.6V时，测量以下参数：
    I_DD = 45mA、亮度 = 33.5cd/m²、R_SLEW = 120.9kΩ、R_DIM = 87kΩ
    
    
12. 重复步骤5，确定器件没有处于稳压状态(图21)。
    
    
    图21. 再次检查波形，确定器件没有处于稳压状态(没有波形平台)
    
    V_DD = 3.6V时，测量以下参数：
    I_DD = 52mA、亮度 = 38cd/m²、R_SLEW = 120.9kΩ、R_DIM = 114.7kΩ
    
    
13. 重复步骤8，检查电感饱和(图22)。
    
    
    图22. 从波形可以看出，电感没有饱和
    
    
14. 重复步骤11，改变摆率(图23)。
    
    
    图23. 需要进行摆率调整，以避免出现波形平台
    
    V_DD = 3.6V时，测量以下参数：
    I_DD = 36mA、亮度 = 27.7cd/m²、R_SLEW = 178kΩ、R_DIM = 87kΩ
    
    
15. 重复步骤5，确定器件没有处于稳压状态(图24)。
    
    
    图24. 波形顶部没有平台，表明器件没有处于稳压状态
    
    V_DD = 3.6V时，测量以下参数：
    I_DD = 49mA、亮度 = 36.9cd/m²、R_SLEW = 178kΩ、R_DIM = 181.8kΩ
    
    
16. 重复步骤7、8、9、11和5 (按这一顺序)，直到您的应用获得了所需的亮度，以及合适的波形(图25和图26)。
    
    
    图25. 重复步骤8来检查电感饱和
    
    
    图26. 重复步骤5，表明器件没有处于稳压状态
    
    V_DD = 3.6V时，测量以下参数：
    I_DD = 56mA、亮度 = 37.5cd/m²、R_SLEW = 260.5kΩ、R_DIM = 239.4kΩ
    
    
17. 使用步骤6的方程8来计算f_SW (图27)。
    
    
    图27. 在步骤6中，可以测量步长时间来确定f_SW
    
    使用方程8，计算：
    
    
    
    
18. 测量R_DIM和R_SLEW值。
    
    R_DIM = 239.4kΩ
    R_SLEW = 260.5kΩ
    
    
19. 注意，R_SLEW值应该是VR1 + 100kΩ上的值，这是因为评估套件上VR1串联了一个100kΩ电阻。当测量VR1和VR2值，确定评估套件断开了电源连接。
    
    
20. 测量了f_SW、f_EL (400Hz)以及R_SLEW和R_DIM值之后，使用方程1和方程3来计算电路所使用的C_SW和C_EL值：
    
    
    
    
    
    
21. 根据计算值，为您的电路选择最相近的电容值。可能需要根据所选的C_SW和C_EL值对R_SLEW和R_DIM稍作调整。
    
    
22. 根据设置的R_DIM值来选择C_DIM，以获得所需的慢接通/关断时间。

如果用户采用商用电感来替代评估套件上的电感，需要根据新电感来重新优化电路。此外，改变灯的大小以及输入电压也需要重新优化电路。

当使用555定时器时，如果需要改变f_SW以优化电路，用户应确定f_SW的占空比(DC)范围在88%至90%之间。按照以下方程来设置DC范围：