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大功率背光源用LED驱动电路的三种驱动设计

1 小序

作为LCD 的背光源,LED 现在已显露出取代CCFL 的趋势。与传统的CCFL 比拟,LED 背光源具有色域宽、色彩还原性好、可控性强、寿命长、不含汞蒸气和其他有害气体等优点。LED 背光源还能实现CCFL 无法比拟的分区域色彩和亮度调节功能,从而加倍正确地实现色彩还原和画面的动态调剂,在显示不合画面时,可以使亮度与比较度进行动态修正,以实现更好的画质。

因为LED是一个低压非线性半导体器件,LED 的正向电压会跟着电流和温度的变更而变更,必要有驱动电路才能包管其稳定靠得住地事情,是以,钻研大年夜功率背光源用LED 驱动电路的办理规划,是一项具有前沿性和现实性的事情。

今朝,大年夜功率背光源用LED 驱动电路有峰值电流节制型、匀称电流节制型、单级单开关型3 种类型,这3 种LED 驱动电路各有特征。本文结合详细的LED 驱动电路节制芯片,从道理、优毛病、机能改进步伐等方面对这3 种类型的LED 驱动电路进行了阐发,并对正处于研发阶段的高机能脉冲恒流源型LED 驱动电路的道理做了简要的先容,着末阐发了大年夜功率背光源用LED 驱动电路的成长趋势。

2 峰值电流节制型LED 驱动电路

峰值电流节制型LED 驱动电路今朝利用最为广泛,这种电路的效率可达90% 以上,而且具有电路简单、资源低的特征。HV9982 是这种电路的范例节制芯片。HV9982 有三路输出,R、G、B 各一起,最高输入电压为40 V, 最多可以同时驱动54 颗LED, 具有输出短路保护、输出过压保护、Hiccup 模式保护功能。图1 是HV9982 的利用电路。图中只画出了一起输出,另外两路输出与这一起相同。

图1 HV9982 利用电路

HV9982 的事情道理为: L1 、D2、Q1、C14 组成Boo st 升压变换器电路,CS 引脚检测流过Q1 的电流,当流过Q1 的电流跨越必然值时,Q1 关断,从而实现恒流输出。Q2 起输出过压保护和调光的感化,OVP 引脚用来检测过电压,当此引脚的电压跨越5 V 时,Q2 关断,同时HV 9982 内部的计时器开始计时,当计时完成后,再次检测OVP引脚上的电压是否跨越5 V, 不跨越则Q2 导通,跨越则Q2 继承关断,如斯重复。调光时,当PWMD 引脚为高电日常平凡,Q2 导通; 当PWMD 引脚为低电日常平凡,Q2 关断,将LED 从电路中断开,防止输出电容经由过程LED 放电。改变PWMD引脚调光旌旗灯号的占空比,就可调节LED 的亮度。

峰值电流节制型LED 驱动电路虽然具有电路简单、资源低等优点,但也存在必然的毛病,详细表现在:

(1)电路可能会因次谐波振荡存在运行不稳定的风险,采纳斜坡补偿可以办理这个问题,然则假如某些LED 驱动芯片不支持振荡器电容连接,斜坡补偿会很难实施。别的,斜坡补偿也会引起被检测电流与实际LED 电流之间的偏差。有的学者试图采纳固定关断光阴( 而不是固定频率) 的事情要领来办理这一问题,这样虽然可以办理次谐波振荡问题,且占空比也大年夜于50%, 然则为了增添占空比就必须低落频率,从而导致频率在占空比范围内的大年夜幅颠簸。

(2) 对噪声敏感,抗噪声机能差。由于电感处于继续储能电流状态,与节制电压编程抉择的电流、电平相对照,开关器件的电流旌旗灯号的上升斜坡平日较小,电流旌旗灯号上的较小噪声就很轻易使开关器件改变关断时候,使系统进入次谐波振荡。

(3) 峰值电感电流的大年夜小不能与匀称电感电流的大年夜小逐一对应,在占空比不合的环境下,相同的峰值电感电流可以对应不合的匀称电感电流,在输入电压更改的环境下,流过LED 的匀称电流发生改变,恒流精度不高。

为了进一步前进峰值电流节制型LED 驱动电路的机能,今朝,钻研职员主要在以下几个方面对其进行改进:

(1) 采纳频率哆嗦技巧改良EMI 特点。未采纳频率哆嗦技巧时,各次谐波较窄而且离散,幅值在谐波频率处较高。图2 是采纳了频率哆嗦技巧的LED 驱动电路的传导EMI 峰值和匀称值测试结果。采纳该技巧可使谐波幅值低落并且变的平滑,高次谐波靠近继续相应,削减EMI 的效果十分显明。

图2 传导EMI 峰值和匀称值测试结果

(2) 采纳补偿峰值电流节制技巧前进LED 驱动电路的恒流机能,办理在输入电压更改的环境下游过LED 的匀称电流发生改变的问题。海内华润矽微科技有限公司推出的PT 4107LED 驱动电路节制芯片就采纳了该技巧。图3 是补偿峰值电流节制技巧道理图。

图3 峰值补偿电流节制技巧道理。

3 匀称电流节制型LED 驱动电路

匀称电流节制型LED 驱动电路降服了峰值电流节制型LED 驱动电路可能会呈现次谐波振荡等不够,具有以下优点:

(1) 匀称电感电流能够高精度地跟踪电流编程旌旗灯号;(2) 不必要斜坡补偿;(3) 抗噪声机能良好。

美国国际整流器公司(IR)推出的IRS2540是一种匀称电流节制型LED 驱动芯片,可驱动200 V 的MOSFET 。该LED 驱动芯片采纳独占的高侧驱动器,可继续监控负载电流,并经由过程光阴延迟滞后节制法,正确调节电流,从而供给上风显着的匀称电流节制功能; 内置短路保护功能,可以经由过程简单的外部电路实现开路保护功能,同时为同步整流设计供给一个低压侧驱动。IRS2540 的利用电路如图4 所示。

图4 IR2540 利用电路。

IR2540 的事情道理为: 当IR2540 的HO 引脚输出高电日常平凡,Q1 导通,负载从电源接受电流,并在输出电感L 2 和输出电容COU T 上储存能量,同时IR2540 第三引脚上的反馈电压V IFB 徐徐增添,当V IFB 高于0. 5 V 时,节制环在延迟一段光阴后关断HO 真个输出。HO 关断后,LO 将在颠末逝世区光阴后开通,电感L 2 和输出电容COUT 向负载开释储存的能量。VIFB 开始下降,当VIFB 低于0. 5 V 时,节制环在延迟一段光阴后,HO 引脚输出高电平,LO 关断。从而达到稳定匀称电流的目的。ENN 引脚为禁用输出,起开路保护和调光的感化,当输入该引脚的电压跨越2. 5 V 时,IRS2540 处于禁用状态。当必要调光时,将一个固定频率、变占空比的旌旗灯号加到ENN 引脚上,匀称负载电流与占空比有直接线性关系。假如占空比是50%, 可以实现最大年夜50% 的输出; 假如占空比是30%, 可以实现最大年夜70% 的输出。

与峰值电流节制型LED 驱动芯片不合,IR2540 的频率自由运行并可以经由过程快速相应输入和输出电压的变更保持电流调节,该芯片不必要外部器件来设置频率,频率是由输出电感L2 和输出电容COU T 以及输入输出电压和负载电流抉择。图5 和图6 分手是负载6 只LED 和12 只LED 时IRS2540 的事情波形,图中的4 个波形由上到下分手为LED 的电压波形、输入电压波形、LED 的电流波形、LO 引脚的电压波形。这种电路的毛病表现在其效率较低,并且输出电流和效率随负载的变更较大年夜。表1 为IR2540 利用电路在不合负载环境下的测试结果。由表1 可见,当负载为10 只LED 时,电路的效率只有68. 2%,与峰值电流节制型LED 驱动电路90% 以上的效率还有必然的差距。

图5 IR2540 驱动6 个LED 的波形。

图6 IR2540 驱动12 个LED 的波形。

表1 IR2540 利用电路在不合负载下的效率。

4 单级单开关型LED 驱动电路

在大年夜屏幕液晶电视和液晶显示器中,背光源耗电量所占的比重是最大年夜的,假如LED 驱动电路采纳直流供电,就要求液晶电视和液晶显示器内功率因数校对( PFC) 电路和开关电源的输出功率足够大年夜,导致资源增添。单级单开关型LED 驱动电路直接采纳220 V 市电,不必要开关电源,而且电路简单、资源也对照低, 利用单级单开关型LED 驱动电路可以显明低落液晶电视和液晶显示器的资源。

美国超科公司推出的HV9931 是一种具有有源功率因数校对功能的单级单开关非隔离型LED 驱动电路节制芯片,采纳该芯片的LED 驱动电路无需变压器。图7 是基于HV9931 的单级单开关型LED 驱动电路,输出功率为18 W, 效率可达78%.由图7 可见,采纳HV9931 的LED驱动电路具有电路简单、资源低的优点。图7 中,L1 、C3、D5、D6 组成输入Buck??boo st 级,它与L2、D7、D8 组成的输出Buck 级相级连,两个变换器共用一个功率管Q1 , 输入Buck??boost 事情在不继续导电模式(DCM) , 输出级则事情在继续导电模式( CCM) , 电路降压比为两个变换器降压比的乘积。这样,不用变压器就可得到高降压比。

HV9931 的事情道理为: 当Q1 导通时,Ll 中的电流线性增添,同时,电容C3 为输出Buck 级供电,流过L 2 的电流也线性增添。iL1的电流畅路为: D5 → L1 → Q1→R6 ; iL2的电流路径为: C3 正端→ Ql →R7 → LED →L2 → D7 →C3 负端。当Q1 关断时,D6 正向偏置,输入电感电流i L1 转入到C3 ,电流流向为: D5→Ll→C3 →D6 ; 同时,流过L2 的电流流过D8 , iL2 流向为: L2→D8 →R7 → LED.L l中的电流线性下降,只要降为零,D6 则反向偏置,阻拦i L1流动。在Q1 再次导通之前,i L1 = 0 的光阴为L l 的逝世区光阴,此时,i L2 继承流动,直到新的开关周期开始,Q1 导通。在A C 线路周期之内,可以觉得开关占空比D 和开关频率f s 不变,于是,L1 的峰值电流iL1( pk) 和匀称输入电流直接与输入电压成正比:

式中: Iin 为输入电流,Vin 为输入电压,Reff 为有效输入电阻

L1 中的峰值电流iL1( pk) 正比于输入电压,匀称输入电流呈正弦波形。是以可得到单位功率因数和低输入电流谐波掉真。图8 是输入电压和电流波形。

图8 输入电压和电流波形

HV9931 的PWMD 引脚连接到VDD,HV9931 正常事情。若PWMD 引脚接地或开路,则HV9931 竣事事情。若在PWMD 引脚施加一个T T L 兼容方波旌旗灯号,则可以得到PWM 调光。在额定输出电流下,当PWM 占空比为5%时,LED 的亮度低落50% .PWM 频率应高于100 Hz, 以使人眼看不到频闪。经由过程施加5% 的LED 电流,采纳模拟( 线性) 调光,也可得到50%的亮度。

单级单开关型LED 驱动电路是今朝的钻研热点,然则还存在一些不够,主要体现在以下5 个方面:

(1) 输出功率较小,今朝只在中小功率场合得到了必然的利用;(2) 为了实现自动输入电流整形,输入PFC电感需事情在恒占空比的DCM 模式,且PFC 级和DC/ DC 级共用一个开关管,是以开关管的电流应力大年夜;(3) 输入PFC 电感需事情在恒占空比的DCM 模式,整流输入真个高频电流纹波大年夜,必要的EMI 滤波器体积大年夜;(4) 为了前进功率转换效率,DC/ DC 级一样平常都事情在CCM 状态,高输入电压和轻载时,因为输入能量和输出能量瞬间不平衡而导致储能电容电压应力过高;(5) 功率转换效率较低。

为了改良单级单开关型LED 驱动电路的上述不够,国内外的学者提出和考试测验了多种措施和电路拓扑:

(1) 采纳输入PFC 电感交错并联、输入PFC电感事情在CCM 模式等措施削减输入电流纹波;(2) 采纳DC/ DC 级事情在DCM 模式、变频节制、母线电压反馈、串联充电并联放电拓扑等措施削减储能电容电压应力;(3) 采纳软开关、直接功率转换等措施前进功率转换效率。

虽然单级单开关型LED 驱动电路还存在一些不够,然则其电路简单、体积小、资源低等优点亦异常惹人关注,跟着钻研的赓续深入,单级单开关型LED 驱动电路将会有广阔的成漫空间。

5 脉冲恒流源型LED 驱动电路

与上述3 种LED 驱动电路不合,脉冲恒流源型LED 驱动电路提供LED 的是脉冲电流,电流脉冲频率和占空比可以调剂,为LED 供给充分可控的恒定电流。因为采纳脉冲供电,LED 处于间歇事情状态,LED 的发烧量大年夜幅削减,从而使LED 的光衰削减,延长了LED 的寿命。别的,脉冲恒流源充分使用了LED 内荧光粉的余辉效应,不只不会有光的闪烁征象,还会进一步前进LED的发光效率。与上述3 种LED 驱动电路比拟,脉冲恒流源型LED 驱动电路具有显明的机能上风,然则,脉冲恒流源的电路对照繁杂,资源较高,只在小功率的LED 驱动电路中得到了必然的利用,大年夜功率的脉冲恒流源型LED 驱动电路还处在研发阶段,还没有商品化。

6 大年夜功率背光源用LED 驱动电路的成长趋势

今朝LED 的效率还对照低,而大年夜功率LED背光源的功率可达100 W 以上,以是大年夜功率LED背光源的散热是一个异常紧张和具有寻衅性的问题。假如LED 驱动电路的效率也对照低,那么不只会多耗损电能,而且会加重液晶电视和液晶显示器的整机散热包袱。恒流精度直接影响液晶电视和液晶显示器画面的亮度和平均性,恒流精度当然越高越好。与CCFL 背光源比拟,LED 背光源的资源还对照高,这是影响LED 背光源推广利用的一个关键身分。低资源的LED 驱动电路,有助于低落LED 背光源的资源,是以,高效率、高恒流精度、低资源是大年夜功率背光源用LED 驱动电路往后的成长趋势。峰值电流节制型LED 驱动电路虽然效率高,然则存在电路有可能发生次谐波振荡、恒流精度不高、抗噪声机能差的毛病。匀称电流节制型LED 驱动电路虽然恒流精度高,然则效率低。脉冲恒流源型LED 驱动电路虽然在效率和恒流精度两个方面具有必然的上风,分外是脉冲恒流源型LED 驱动电路能使LED 的发烧量大年夜幅削减,这对简化大年夜功率LED 背光源的热设计是异常有用的,然则因为其电路繁杂、资源高,今朝还没有大年夜功率的脉冲恒流源型LED 驱动芯片问世,其成长前景今朝还很难判断。单级单开关型LED 驱动电路具有资源低、电路简单的优点,而且恒流机能也对照好。该当指出的是,虽然单级单开关型LED 驱动电路的效率还对照低,但它是直接应用220 V 市电,其他类型的LED 驱动电路还必要开关电源供电,假如把PFC 电路和开关电源的效率谋略进去,电路的总效率险些与单级单开关型LED 驱动电路的效率相称,以致还比单级单开关LED 驱动电路的效率还要低。虽然单级单开关LED 驱动电路还存在一些不够,跟着钻研的深入,其机能会赓续前进。综上所述,今朝单级单开关型LED 驱动电路是最具有成长前景的,是当本大年夜功率背光源用LED 驱动电路的成长趋势。

7 结论

因为LED 背光源的诸多优点,LED 背光源正在进入高速成永劫期。LED 驱动电路作为LED 背光源中弗成缺少的一部分,其紧张性是不言而喻的。本文对大年夜功率背光源用LED 驱动电路进行了阐发,探究了大年夜功率背光源用LED 驱动电路的成长趋势,对大年夜功率背光源用LED 驱动电路的钻研与设计具有必然参考利用代价。

滥觞;电子工程网

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