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引言
??? MAX4990是設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)致發(fā)光(EL)燈的高壓DC-AC轉(zhuǎn)換器。為產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)EL面板需要的高壓，MAX4990采用了一個(gè)高頻升壓變壓器，以及一個(gè)高電壓、全橋輸出級(jí)來(lái)產(chǎn)生適合驅(qū)動(dòng)EL燈的高壓交流波形。MAX4990的專用音頻噪聲抑制電路控制驅(qū)動(dòng)EL面板的AC電壓擺率，從而減小了音頻噪聲。??? MAX4990提供DIM引腳，使用戶能夠通過(guò)PWM或者直流模擬電壓，或者連接一個(gè)電阻至GND，設(shè)置EL輸出電壓。利用DIM引腳上和電阻并聯(lián)的一個(gè)電容，用戶可以設(shè)置MAX4990慢接通/關(guān)斷時(shí)間。
??? EL燈的亮度、電流大小和輻射燈光的顏色受到燈上交流波形(電壓和頻率)的影響。調(diào)整輸出波形擺率會(huì)影響燈本身產(chǎn)生的音頻噪聲。因此，必須根據(jù)每一應(yīng)用的需求來(lái)優(yōu)化MAX4990電路。本應(yīng)用筆記討論MAX4990應(yīng)采用的電路優(yōu)化措施，以及外部元件的選擇。
EL燈及其屬性
??? EL燈在制造中采用了絕緣材料上均勻分布的磷粒子光輻射層。這些層夾在底層電極和透明電極中間，在電極上覆蓋了保護(hù)聚合層。??? 一般可以把EL燈當(dāng)做電容，如圖1所示。
圖1. 簡(jiǎn)化的EL燈結(jié)構(gòu)圖，顯示了其電阻和電容
??? 當(dāng)EL燈電極被加上交替改變的電壓時(shí)，上能級(jí)的磷電子(價(jià)電帶)被激發(fā)，躍遷到更高能級(jí)。然而，高能級(jí)不穩(wěn)定，所以，被激發(fā)的電子返回到最初能級(jí)，釋放一個(gè)光子。由于磷粒子均勻分布，因此，EL燈輻射的光在燈表面看起來(lái)非常柔和。
??? 頻率變化會(huì)影響輻射光的顏色，而電壓和頻率都會(huì)影響EL燈的亮度。提高電壓或者頻率會(huì)增強(qiáng)燈的亮度，但也會(huì)影響燈的使用壽命。一般而言，和提高電壓相比，提高燈的頻率(fEL)會(huì)更迅速減少燈使用壽命。EL燈的使用壽命一般采用亮度減半時(shí)的工作時(shí)間(TTHL)，即，“半亮度壽命”時(shí)間表示，它是在一定電壓和頻率下，EL燈亮度降至最初亮度一半時(shí)的時(shí)間。TTHL標(biāo)準(zhǔn)通常由EL燈生產(chǎn)商提供，規(guī)定以千小時(shí)表示。手持產(chǎn)品中，燈不需要始終打開(kāi)，TTHL一般不是大問(wèn)題。
??? 一般有兩類EL燈：高壓EL燈和低壓EL燈。高壓EL燈閾值電壓要比低壓EL燈高得多，意味著高壓EL燈需要較高的峰峰值電壓才能點(diǎn)亮。高壓EL燈需采用變壓器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而低壓EL燈采用基于IC的EL驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因此，針對(duì)每一應(yīng)用選擇合適的EL燈是優(yōu)化電路的第一步。
MAX4990電路優(yōu)化
??? 電路優(yōu)化包括選擇外部元件，以滿足每一EL面板應(yīng)用需要的參數(shù)。這些參數(shù)包括：輸出電壓、電流、燈頻率、燈亮度要求、燈產(chǎn)生的音頻噪聲，以及輸出波形等。DC-DC轉(zhuǎn)換
??? 通過(guò)升壓變壓器來(lái)產(chǎn)生較高的直流輸出電壓。升壓變壓器(圖2)包括：內(nèi)部DMOS開(kāi)關(guān)(Q)、內(nèi)部開(kāi)關(guān)振蕩器、外部電感(LX)、外部快速逆向恢復(fù)二極管(D)，以及外部高壓電容(CS)。
圖2. 用于產(chǎn)生較高直流輸出電壓的升壓變壓器
??? 當(dāng)開(kāi)關(guān)Q接通/關(guān)斷時(shí)，電感LX被沖放電。通過(guò)二極管D釋放的能量存儲(chǔ)在電容CS中。
??? 可以按照以下方法設(shè)置LX的開(kāi)關(guān)頻率(fSW)：
- SLEW和SW引腳上的RSLEW電阻和CSW電容(分別)連接至GND，如圖3所示。
圖3. SLEW引腳上的電阻和SW引腳上的電容一起用于計(jì)算LX開(kāi)關(guān)頻率 -
按下式計(jì)算LX開(kāi)關(guān)頻率：
- 直接將PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)至SW引腳，如圖4所示。
圖4. 90%占空比PWM信號(hào)被驅(qū)動(dòng)至SW引腳
??? 其中：
??? VIN = 電感供電電壓
??? RLX = 電感阻抗
??? LX = 電感值
??? RQ = 內(nèi)部DMOS開(kāi)關(guān)阻抗
??? fSW = 電感開(kāi)關(guān)頻率
??? tON = (占空比)/fSW = 內(nèi)部MOSFET開(kāi)關(guān)接通時(shí)間
??? 在確定電感是否飽和時(shí)，如果沒(méi)有電流探針，則必須監(jiān)控LX和D (圖5)之間節(jié)點(diǎn)上的波形。
圖5. 紅色圓圈顯示，應(yīng)在此放置示波器探針來(lái)探測(cè)電感是否飽和
??? 圖6顯示，怎樣探測(cè)電感是否進(jìn)入飽和狀態(tài)。下面的電壓波形并沒(méi)有線性增加，而是彎曲向上，表明電感開(kāi)始飽和。
圖6. 當(dāng)波形彎曲向上，而不是線性增加時(shí)，表明電感開(kāi)始飽和
??? 在正常工作范圍內(nèi)的電感波形與圖7中的相似。下面的電壓波形線性增加，表明電感沒(méi)有飽和。
圖7. 下面的波形線性增加表明沒(méi)有出現(xiàn)電感飽和
??? 為防止電感出現(xiàn)飽和，必須使用較短的接通時(shí)間(快速fSW)。這可以在SW引腳至GND之間使用較小的CSW來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以使用頻率較高的PWM信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
??? 我們還需要確定LX有足夠的時(shí)間通過(guò)外部二極管將其存儲(chǔ)的能量釋放給CS，從而防止電感飽和。這通過(guò)為L(zhǎng)X選擇合適的fSW來(lái)實(shí)現(xiàn)。
??? 由于二極管必須含有從LX傳送給CS的所有能量，所以，二極管的逆向恢復(fù)時(shí)間非常重要。因此，建議MAX4990采用逆向恢復(fù)時(shí)間較快的二極管，例如BAS21或者BAS20等。
??? 需要根據(jù)燈大小以及輸出波形能夠承受的波紋量來(lái)選擇CS值。一般而言，建議使用的CS值是EL燈電容的值1/10。對(duì)于任意給定的fSW，較大的CS值減小了輸出波形的波紋。當(dāng)選擇較小的CS值時(shí)，一般建議采用較大的電感開(kāi)關(guān)頻率。
EL燈的輸出波形
??? MAX4990使用高電壓、全橋輸出級(jí)將升壓變壓器產(chǎn)生的高電壓轉(zhuǎn)換為適合驅(qū)動(dòng)EL面板的交流波形。調(diào)整輸出電壓、輸出波形擺率、慢接通和關(guān)斷，以及輸出波形頻率來(lái)最大程度地優(yōu)化電路，針對(duì)每一應(yīng)用獲得最佳結(jié)果。??? EL驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化取決于很多不同的變量。電路優(yōu)化的最佳方法是針對(duì)每一應(yīng)用對(duì)變量進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排列。例如，由于EL燈用于背光目的，燈亮度可以設(shè)置為固定值，從而減少了對(duì)變量的設(shè)置，簡(jiǎn)化了優(yōu)化過(guò)程。
??? EL燈的輻射光亮度和顏色取決于輸出電壓頻率。根據(jù)燈的顏色，必須使用不同的頻率范圍。
??? 優(yōu)化輸出波形的第一步是基于所需要的燈顏色來(lái)選擇合適的fEL。
??? 通過(guò)以下方法來(lái)調(diào)整燈頻率：
- SLEW和EL引腳的RSLEW電阻和CEL電容(分別)連接至GND。按下式計(jì)算fEL：
- 在EL引腳加上時(shí)鐘信號(hào)。在這一例子中，fEL是時(shí)鐘頻率的1/4。
圖8. EL燈的亮度和頻率同時(shí)增大
??? 選擇了fEL之后，必須選擇燈的峰峰值電壓(VP-P)，以獲得所需的亮度。通過(guò)以下方法來(lái)控制交流VP-P：
- RDIM和RSLEW組合，按下式計(jì)算：
- 在DIM引腳加上PWM信號(hào)。PWM信號(hào)的占空比在內(nèi)部從0轉(zhuǎn)換到1.22V。
- 在DIM引腳加上DC電壓。將DC電壓從0.35V提升到1.3V，使燈VP-P電壓從70V增大到250V。
圖9. 隨著VP-P的增加，EL燈亮度也隨之增強(qiáng)
??? 對(duì)于對(duì)音頻噪聲敏感的應(yīng)用，輸出波形擺率非常重要，因?yàn)橛脩艨梢酝ㄟ^(guò)它來(lái)調(diào)整輸出波形，從而減小EL燈產(chǎn)生的音頻噪聲。
??? 通過(guò)RSLEW來(lái)控制輸出波形的擺率，該電阻連接在SLEW引腳和GND之間?？梢园凑障率絹?lái)計(jì)算這一擺率：
??? 理想的輸出擺率能夠減小燈產(chǎn)生的音頻噪聲，它與燈的大小和機(jī)械封裝有關(guān)。因此，在針對(duì)燈選擇fEL時(shí)，必須考慮封裝的共振頻率。
??? 在降低燈產(chǎn)生的音頻噪聲時(shí)，一般認(rèn)為正弦波形是最佳選擇。然而，在一定的電壓和頻率下，正弦波產(chǎn)生的亮度要比方波低。因此，必須根據(jù)每種應(yīng)用的需要來(lái)優(yōu)化每一電路。
??? 隨著輸出波形擺率的降低，EL燈產(chǎn)生的音頻噪聲隨之降低，吸收的電流也在減小。而較慢的擺率會(huì)降低燈亮度，如圖10所示。
圖10. 燈亮度隨著擺率的降低而降低
??? 要恢復(fù)由于擺率降低導(dǎo)致的亮度損失，需要提高燈的VP-P。這很容易通過(guò)提高輸出電壓，在給定輸入電壓下使用較低的fSW實(shí)現(xiàn)。較低的fSW延長(zhǎng)了電感接通時(shí)間，使電感能夠存儲(chǔ)更多的能量，在每個(gè)周期中把更多的能量傳送給CS。
??? 在對(duì)音頻噪聲敏感的應(yīng)用中，不建議對(duì)輸出波形進(jìn)行穩(wěn)壓(即，輸出波形在頂部不應(yīng)有平臺(tái))。針對(duì)應(yīng)用選擇了擺率后，必須調(diào)整輸出電壓以獲得燈上的最佳波形。
??? 當(dāng)使用MAX4990時(shí)，對(duì)于音頻噪聲敏感的應(yīng)用，其最佳波形如圖11所示。
圖11. 適合對(duì)音頻噪聲敏感應(yīng)用的波形
??? MAX4990還具有另一特性，使其更適合很多應(yīng)用—其慢接通/關(guān)斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)了EL燈逐漸接通(漸亮)和關(guān)斷(漸暗)。
??? 通過(guò)將電容CDIM和RDIM并聯(lián)至GND來(lái)控制這一慢接通/關(guān)斷特性(圖12)。
圖12. CDIM與RDIM并聯(lián)至GND
??? 慢接通/關(guān)斷時(shí)間是RDIM和CDIM上電壓緩慢減小的結(jié)果，可以按下式來(lái)近似計(jì)算：
??? 圖13顯示了使用CDIM和并聯(lián)RDIM后對(duì)EL燈慢接通/關(guān)斷的影響。
圖13. CDIM與RDIM并聯(lián)至GND時(shí)，MAX4990的慢接通/關(guān)斷
優(yōu)化MAX4990電路
??? 當(dāng)使用MAX4990來(lái)優(yōu)化EL燈電路時(shí)，必須按照以下步驟來(lái)進(jìn)行：- 使用RSLEW = 100kΩ。以后可以改變RSLEW來(lái)優(yōu)化/減小燈產(chǎn)生的音頻噪聲。
- 根據(jù)輸入電壓以及燈大小來(lái)選擇電感值。一般而言，當(dāng)使用MAX4990，驅(qū)動(dòng)燈時(shí)，建議電感值在100μH至330μH的范圍。從您的供應(yīng)商那里，針對(duì)自己的應(yīng)用來(lái)選擇合適的電感(請(qǐng)參考MAX4990數(shù)據(jù)資料的第11頁(yè)，了解所推薦的電感)。
- 選擇合適的CSW值，設(shè)置fSW初始值，防止電感飽和，提供燈上所需要的輸出電壓。建議選擇較小的CSW值，以較快的fSW開(kāi)始，然后提高這一數(shù)值，以保證電感不會(huì)進(jìn)入飽和。
- 選擇CEL初始值，提供合適的fEL，以減小RSLEW值。
- 為獲得所需的亮度，通過(guò)選擇合適的RDIM值來(lái)設(shè)置輸出電壓。
- 在1nF至10nF之間選擇CS值，使輸出波形頂部的波紋最小。一般而言，對(duì)于體積較大的燈，需要使用較大的CS值。如果采用了某一CS值，重新調(diào)整fSW，以減小輸出波形頂部的波紋。在大多數(shù)情況下，EL燈電容1/10的CS值足夠了。
- 根據(jù)您具體應(yīng)用的音頻噪聲要求，使用合適的RSLEW值，選擇合適的輸出擺率(dV/dt)。音頻噪聲隨著燈上波形擺率的減小而降低。
- 根據(jù)所選的RSLEW值，調(diào)整CSW和CEL值，獲得合適的燈和電感開(kāi)關(guān)頻率。在大多數(shù)情況下，只需要調(diào)整CEL就可以獲得所需的fEL。
- 通過(guò)調(diào)整RDIM值，再次設(shè)置輸出電壓，以獲得所需的亮度。
- 重復(fù)步驟2到步驟8，直到您對(duì)實(shí)際應(yīng)用的輸入電壓的電流吸收感到滿意。
- 根據(jù)設(shè)置的RDIM值來(lái)選擇CDIM，以獲得所需的慢接通/關(guān)斷時(shí)間。
使用MAX4990評(píng)估套件進(jìn)行電路優(yōu)化
??? MAX4990評(píng)估套件(EV kit)對(duì)實(shí)際應(yīng)用電路進(jìn)行初步優(yōu)化。利用該評(píng)估套件，用戶能夠通過(guò)單獨(dú)的板上可調(diào)電容和電阻來(lái)設(shè)置fSW、fEL、輸出電壓和輸出波形的擺率。??? 利用板上的555定時(shí)器，用戶可以選擇不同的電感開(kāi)關(guān)頻率以及fEL，不需要改變CSW和CEL值，RSLEW值不會(huì)對(duì)這些頻率有影響。
??? 建議采用以下儀表設(shè)備來(lái)優(yōu)化MAX4990電路：
- 電源。
- 萬(wàn)用表和電源串聯(lián)以測(cè)量電流吸收。
- 雙通道示波器來(lái)監(jiān)視波形，以及燈上波形的變化(一個(gè)通道連接VA，另一通道連接VB；如果需要，在VB置反信號(hào)上增加VA來(lái)觀察燈上的差分電壓)。
- 需要燈生產(chǎn)商提供的電壓和頻率亮度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范，以獲得一定的亮度。
??? 在MAX4990評(píng)估套件中使用555定時(shí)器來(lái)優(yōu)化電路時(shí)，需要按照以下步驟在JU4和JU5上放置跳接器：
- JU1位于2和3之間，設(shè)置VR1為0Ω。正確設(shè)置JU4和JU5跳線。
- 使用3.6V電源對(duì)評(píng)估套件供電，EL燈與電源連接，JU8置位。
- 使用VR3設(shè)置fEL為400Hz。
- 使用VC1將電流消耗置為最小值。
- JU3放置在1和2之間，使用VR2設(shè)置輸出電壓，使電路不在穩(wěn)壓狀態(tài)。這意味著，輸出波形頂部沒(méi)有平臺(tái)，如圖14所示。
圖14. MAX4990評(píng)估套件沒(méi)有處于穩(wěn)壓狀態(tài).
??? VDD = 3.6V時(shí)，測(cè)量以下參數(shù)：
??? IDD = 26mA、亮度 = 24.6cd/m2、RSLEW = 100kΩ (R1 = 100kΩ，評(píng)估套件上VR1 + R1)、
?
??? 6.測(cè)量fSW。這可以通過(guò)擴(kuò)展VA或者VB的時(shí)間量程來(lái)實(shí)現(xiàn)，直至看到輸出波形的最小步長(zhǎng)，如圖15所示。
圖15. 可以測(cè)量步長(zhǎng)時(shí)間來(lái)確定fSW
??? 觀察VA或者VB的上1/3，測(cè)量步長(zhǎng)寬度(tSTEP)，計(jì)算：
??? 7.通過(guò)VC1改變fSW，增加輸出電壓，使其能夠提供所需的亮度(圖16)。
圖16. 達(dá)到了足夠的亮度級(jí)
??? VDD = 3.6V時(shí)，測(cè)量以下參數(shù)：
??? IDD = 46mA、亮度 = 35.2cd/m2、RSLEW = 100kΩ、RDIM = 73.8kΩ
??? 8.檢查波形，確定電感沒(méi)有飽和，如圖17所示。
圖17. 波形顯示沒(méi)有出現(xiàn)電感飽和
??? 9.按照步驟6的方程8計(jì)算fSW (圖18)。
圖18. 測(cè)量步長(zhǎng)時(shí)間來(lái)確定fSW
??? 10.對(duì)于對(duì)音頻噪聲敏感的應(yīng)用，重復(fù)進(jìn)行步驟5 (圖19)。
圖19. 波形沒(méi)有平臺(tái)，顯示器件沒(méi)有處于穩(wěn)壓狀態(tài)
??? VDD = 3.6V時(shí)，測(cè)量以下參數(shù)：
??? IDD = 53mA、亮度 = 38.5cd/m2、RSLEW = 100kΩ、RDIM = 87kΩ
??? 11.JU1位于2和3之間，使用VR1來(lái)改變輸出波形上升沿和下降沿的擺率。注意，較快的擺率(dV/dt)提供較強(qiáng)的亮度，但也導(dǎo)致EL燈產(chǎn)生較大的音頻噪聲(圖20)。
圖20. 擺率調(diào)整
??? VDD = 3.6V時(shí)，測(cè)量以下參數(shù)：
??? IDD = 45mA、亮度 = 33.5cd/m2、RSLEW = 120.9kΩ、RDIM = 87kΩ
??? 12.重復(fù)步驟5，確定器件沒(méi)有處于穩(wěn)壓狀態(tài)(圖21)。
圖21. 再次檢查波形，確定器件沒(méi)有處于穩(wěn)壓狀態(tài)(沒(méi)有波形平臺(tái))
??? VDD = 3.6V時(shí)，測(cè)量以下參數(shù)：
??? IDD = 52mA、亮度 = 38cd/m2、RSLEW = 120.9kΩ、RDIM = 114.7kΩ
??? 13.重復(fù)步驟8，檢查電感飽和(圖22)。
圖22. 從波形可以看出，電感沒(méi)有飽和
??? 14.重復(fù)步驟11，改變擺率(圖23)。
圖23. 需要進(jìn)行擺率調(diào)整，以避免出現(xiàn)波形平臺(tái)
??? VDD = 3.6V時(shí)，測(cè)量以下參數(shù)：
??? IDD = 36mA、亮度 = 27.7cd/m2、RSLEW = 178kΩ、RDIM = 87kΩ
??? 15.重復(fù)步驟5，確定器件沒(méi)有處于穩(wěn)壓狀態(tài)(圖24)。
圖24. 波形頂部沒(méi)有平臺(tái)，表明器件沒(méi)有處于穩(wěn)壓狀態(tài)
??? VDD = 3.6V時(shí)，測(cè)量以下參數(shù)：
??? IDD = 49mA、亮度 = 36.9cd/m2、RSLEW = 178kΩ、RDIM = 181.8kΩ
??? 16.重復(fù)步驟7、8、9、11和5 (按這一順序)，直到您的應(yīng)用獲得了所需的亮度，以及合適的波形(圖25和圖26)。
圖25. 重復(fù)步驟8來(lái)檢查電感飽和
圖26. 重復(fù)步驟5，表明器件沒(méi)有處于穩(wěn)壓狀態(tài)
??? VDD = 3.6V時(shí)，測(cè)量以下參數(shù)：
??? IDD = 56mA、亮度 = 37.5cd/m2、RSLEW = 260.5kΩ、RDIM = 239.4kΩ
??? 17.使用步驟6的方程8來(lái)計(jì)算fSW (圖27)。
圖27. 在步驟6中，可以測(cè)量步長(zhǎng)時(shí)間來(lái)確定fSW
??? 使用方程8，計(jì)算：
??? 18.測(cè)量RDIM和RSLEW值。
??????? RDIM = 239.4kΩ
??????? RSLEW = 260.5kΩ
??? 19.注意，RSLEW值應(yīng)該是VR1 + 100kΩ上的值，這是因?yàn)樵u(píng)估套件上VR1串聯(lián)了一個(gè)100kΩ電阻。當(dāng)測(cè)量VR1和VR2值，確定評(píng)估套件斷開(kāi)了電源連接。
??? 20.測(cè)量了fSW、fEL (400Hz)以及RSLEW和RDIM值之后，使用方程1和方程3來(lái)計(jì)算電路所使用的CSW和CEL值：
??? 21.根據(jù)計(jì)算值，為您的電路選擇最相近的電容值?？赡苄枰鶕?jù)所選的CSW和CEL值對(duì)RSLEW和RDIM稍作調(diào)整。
??? 22.根據(jù)設(shè)置的RDIM值來(lái)選擇CDIM，以獲得所需的慢接通/關(guān)斷時(shí)間。
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??? 如果用戶采用商用電感來(lái)替代評(píng)估套件上的電感，需要根據(jù)新電感來(lái)重新優(yōu)化電路。此外，改變燈的大小以及輸入電壓也需要重新優(yōu)化電路。
??? 當(dāng)使用555定時(shí)器時(shí)，如果需要改變fSW以優(yōu)化電路，用戶應(yīng)確定fSW的占空比(DC)范圍在88%至90%之間。按照以下方程來(lái)設(shè)置DC范圍：
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