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大功率背光源用LED驱动电路的三种驱动设计
发布日期:2019-09-13 09:51   来源:未知   阅读:

  现在已显露出取代CCFL 的趋势。与传统的CCFL 相比,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 无法相比的分区域色彩和亮度调节功能,从而更加精确地实现色彩还原和画面的动态调整,在显示不同画面时,可以使亮度与对比度进行动态修正,以实现更好的画质。

  由于LED是一个低压非线性半导体器件,LED 的正向电压会随着电流和温度的变化而变化,需要有驱动电路才能保证其稳定可靠地工作,因此,研究大功率背光源用LED 驱动电路的解决方案,是一项具有前沿性和现实性的工作。

  目前,大功率背光源用LED 驱动电路有峰值电流控制型、平均电流控制型、单级单开关型3 种类型,这3 种LED 驱动电路各有特点。本文结合具体的LED 驱动电路控制芯片,从原理、优缺点、性能改进措施等方面对这3 种类型的LED 驱动电路进行了分析,并对正处于研发阶段的高性能脉冲恒流源型LED 驱动电路的原理做了简要的介绍,最后分析了大功率背光源用LED 驱动电路的发展趋势。

  峰值电流控制型LED 驱动电路目前应用最为广泛,这种电路的效率可达90% 以上,而且具有电路简单、成本低的特点。HV9982 是这种电路的典型控制芯片。HV9982 有三路输出,R、G、B 各一路,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 的应用电路。图中只画出了一路输出,其余两路输出与这一路相同。

  HV9982 的工作原理为: 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 的电流超过一定值时,Q1 关断,从而实现恒流输出。Q2 起输出过压保护和调光的作用,OVP 引脚用来检测过电压,当此引脚的电压超过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引脚上的电压是否超过5 V, 不超过则Q2 导通,超过则Q2 继续关断,如此重复。调光时,当PWMD 引脚为高电平时,Q2 导通; 当PWMD 引脚为低电平时,Q2 关断,将LED 从电路中断开,防止输出电容通过LED 放电。改变PWMD引脚调光信号的占空比,就可调节LED 的亮度。

  峰值电流控制型LED 驱动电路虽然具有电路简单、成本低等优点,但也存在一定的缺点,具体表现在:

  (1)电路可能会因次谐波振荡存在运行不稳定的风险,采用斜坡补偿可以解决这个问题,但是如果某些LED 驱动芯片不支持振荡器电容连接,斜坡补偿会很难实施。另外,斜坡补偿也会引起被检测电流与实际LED 电流之间的误差。有的学者试图采用固定关断时间( 而不是固定频率) 的工作方式来解决这一问题,这样虽然可以解决次谐波振荡问题,且占空比也大于50%, 但是为了增加占空比就必须降低频率,从而导致频率在占空比范围内的大幅波动。

  (2) 对噪声敏感,抗噪声性能差。因为电感处于连续储能电流状态,与控制电压编程决定的电流、电平相比较,开关器件的电流信号的上升斜坡通常较小,电流信号上的较小噪声就很容易使开关器件改变关断时刻,使系统进入次谐波振荡。

  (3) 峰值电感电流的大小不能与平均电感电流的大小一一对应,在占空比不同的情况下,相同的峰值电感电流可以对应不同的平均电感电流,在输入电压变动的情况下,流过LED 的平均电流发生改变,恒流精度不高。

  为了进一步提高峰值电流控制型LED 驱动电路的性能,目前,研究人员主要在以下几个方面对其进行改进:

  (1) 采用频率抖动技术改善EMI特性。未采用频率抖动技术时,各次谐波较窄而且离散,幅值在谐波频率处较高。图2 是采用了频率抖动技术的LED 驱动电路的传导EMI 峰值和平均值测试结果。采用该技术可使谐波幅值降低并且变的平滑,高次谐波接近连续响应,减少EMI 的效果十分显著。

  (2) 采用补偿峰值电流控制技术提高LED 驱动电路的恒流性能,解决在输入电压变动的情况下流过LED 的平均电流发生改变的问题。国内华润矽微科技有限公司推出的PT 4107LED 驱动电路控制芯片就采用了该技术。图3 是补偿峰值电流控制技术原理图。

  平均电流控制型LED 驱动电路克服了峰值电流控制型LED 驱动电路可能会出现次谐波振荡等不足,具有以下优点:

  (1) 平均电感电流能够高精度地跟踪电流编程信号;(2) 不需要斜坡补偿;(3) 抗噪声性能优越。

  美国国际整流器公司(IR)推出的IRS2540是一种平均电流控制型LED 驱动芯片,可驱动200 V 的MOSFET。该LED 驱动芯片采用独有的高侧驱动器,可连续监控负载电流,并通过时间延迟滞后控制法,精确调节电流,从而提供优势明显的平均电流控制功能; 内置短路保护功能,可以通过简单的外部电路实现开路保护功能,同时为同步整流设计提供一个低压侧驱动。IRS2540 的应用电路如图4 所示。

  IR2540 的工作原理为: 当IR2540 的HO 引脚输出高电平时,Q1 导通,负载从电源吸收电流,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VIFB 逐渐增加,当V IFB 高于0. 5 V 时,控制环在延迟一段时间后关断HO 端的输出。HO 关断后,LO 将在经过死区时间后开通,电感L 2 和输出电容COUT 向负载释放储存的能量。VIFB 开始下降,当VIFB 低于0. 5 V 时,控制环在延迟一段时间后,HO 引脚输出高电平,LO 关断。从而达到稳定平均电流的目的。ENN 引脚为禁用输出,起开路保护和调光的作用,当输入该引脚的电压超过2. 5 V 时,IRS2540 处于禁用状态。当需要调光时,将一个固定频率、变占空比的信号加到ENN 引脚上,平均负载电流与占空比有直接线% 的输出; 如果占空比是30%, 可以实现最大70% 的输出。

  与峰值电流控制型LED 驱动芯片不同,IR2540 的频率自由运行并可以通过快速响应输入和输出电压的变化维持电流调节,该芯片不需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决定。图5 和图6 分别是负载6 只LED 和12 只LED 时IRS2540 的工作波形,图中的4 个波形由上到下分别为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。这种电路的缺点表现在其效率较低,并且输出电流和效率随负载的变化较大。表1 为IR2540 应用电路在不同负载情况下的测试结果。由表1 可见,当负载为10 只LED 时,电路的效率只有68. 2%,与峰值电流控制型LED 驱动电路90% 以上的效率还有一定的差距。

  在大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的,如果LED 驱动电路采用直流供电,就要求液晶电视和液晶显示器内功率因数校正(PFC) 电路和开关电源的输出功率足够大,导致成本增加。单级单开关型LED 驱动电路直接采用220 V 市电,不需要开关电源,而且电路简单、成本也比较低, 应用单级单开关型LED 驱动电路可以显著降低液晶电视和液晶显示器的成本。

  美国超科公司推出的HV9931 是一种具有有源功率因数校正功能的单级单开关非隔离型LED 驱动电路控制芯片,采用该芯片的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,采用HV9931 的LED驱动电路具有电路简单、成本低的优点。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 工作在不连续导电模式(DCM) , 输出级则工作在连续导电模式( CCM) , 电路降压比为两个变换器降压比的乘积。这样,不用变压器就可获得高降压比。

  HV9931 的工作原理为: 当Q1 导通时,Ll 中的电流线 为输出Buck 级供电,流过L 2 的电流也线的电流路径为: 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,阻止i L1流动。在Q1 再次导通之前,i L1 = 0 的时间为L l 的死区时间,此时,i L2 继续流动,直到新的开关周期开始,Q1 导通。在A C 线路周期之内,可以认为开关占空比D 和开关频率f s 不变,于是,L1 的峰值电流iL1( pk) 和平均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,平均输入电流呈正弦波形。因此可获得单位功率因数和低输入电流谐波失线 是输入电压和电流波形。

  HV9931 的PWMD 引脚连接到VDD,HV9931 正常工作。若PWMD 引脚接地或开路,则HV9931 停止工作。若在PWMD 引脚施加一个T T L 兼容方波信号,则可以获得PWM 调光。在额定输出电流下,当PWM 占空比为5%时,LED 的亮度降低50% .PWM 频率应高于100 Hz, 以使人眼看不到频闪。通过施加5% 的LED 电流,采用模拟( 线%的亮度。

  单级单开关型LED 驱动电路是目前的研究热点,但是还存在一些不足,主要体现在以下5 个方面:

  (1) 输出功率较小,目前只在中小功率场合获得了一定的应用;(2) 为了实现自动输入电流整形,输入PFC电感需工作在恒占空比的DCM 模式,且PFC 级和DC/ DC 级共用一个开关管,因此开关管的电流应力大;(3) 输入PFC 电感需工作在恒占空比的DCM 模式,整流输入端的高频电流纹波大,需要的EMI滤波器体积大;(4) 为了提高功率转换效率,DC/ DC 级一般都工作在CCM 状态,高输入电压和轻载时,由于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。

  为了改善单级单开关型LED 驱动电路的上述不足,国内外的学者提出和尝试了多种方法和电路拓扑:

  (1) 采用输入PFC 电感交错并联、输入PFC电感工作在CCM 模式等方法减少输入电流纹波;(2) 采用DC/ DC 级工作在DCM 模式、变频控制、母线电压反馈、串联充电并联放电拓扑等方法减少储能电容电压应力;(3) 采用软开关、直接功率转换等方法提高功率转换效率。

  虽然单级单开关型LED 驱动电路还存在一些不足,但是其电路简单、体积小、成本低等优点亦非常引人关注,随着研究的不断深入,单级单开关型LED 驱动电路将会有广阔的发展空间。

  与上述3 种LED 驱动电路不同,脉冲恒流源型LED 驱动电路供给LED 的是脉冲电流,电流脉冲频率和占空比可以调整,为LED 提供充分可控的恒定电流。由于采用脉冲供电,LED 处于间歇工作状态,LED 的发热量大幅减少,从而使LED 的光衰减少,延长了LED 的寿命。另外,脉冲恒流源充分利用了LED 内荧光粉的余辉效应,不但不会有光的闪烁现象,还会进一步提高LED的发光效率。与上述3 种LED 驱动电路相比,脉冲恒流源型LED 驱动电路具有显著的性能优势,但是,脉冲恒流源的电路比较复杂,成本较高,只在小功率的LED 驱动电路中获得了一定的应用,大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。

  目前LED 的效率还比较低,而大功率LED背光源的功率可达100 W 以上,所以大功率LED背光源的散热是一个非常重要和具有挑战性的问题。如果LED 驱动电路的效率也比较低,那么不但会多消耗电能,而且会加重液晶电视和液晶显示器的整机散热负担。恒流精度直接影响液晶电视和液晶显示器画面的亮度和均匀性,恒流精度当然越高越好。与CCFL 背光源相比,LED 背光源的成本还比较高,这是影响LED 背光源推广应用的一个关键因素。低成本的LED 驱动电路,有助于降低LED 背光源的成本,因此,高效率、高恒流精度、低成本是大功率背光源用LED 驱动电路今后的发展趋势。峰值电流控制型LED 驱动电路虽然效率高,但是存在电路有可能发生次谐波振荡、恒流精度不高、抗噪声性能差的缺点。平均电流控制型LED 驱动电路虽然恒流精度高,但是效率低。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一定的优势,特别是脉冲恒流源型LED 驱动电路能使LED 的发热量大幅减少,这对简化大功率LED 背光源的热设计是非常有用的,但是由于其电路复杂、成本高,目前还没有大功率的脉冲恒流源型LED 驱动芯片问世,其发展前景目前还很难判断。单级单开关型LED 驱动电路具有成本低、电路简单的优点,而且恒流性能也比较好。应当指出的是,虽然单级单开关型LED 驱动电路的效率还比较低,但它是直接使用220 V 市电,其他类型的LED 驱动电路还需要开关电源供电,如果把PFC 电路和开关电源的效率计算进去,电路的总效率几乎与单级单开关型LED 驱动电路的效率相当,甚至还比单级单开关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足,随着研究的深入,其性能会不断提高。综上所述,目前单级单开关型LED 驱动电路是最具有发展前景的,是当今大功率背光源用LED 驱动电路的发展趋势。

  由于LED 背光源的诸多优点,LED 背光源正在进入高速发展时期。LED 驱动电路作为LED 背光源中不可缺少的一部分,其重要性是不言而喻的。本文对大功率背光源用LED 驱动电路进行了分析,探讨了大功率背光源用LED 驱动电路的发展趋势,对大功率背光源用LED 驱动电路的研究与设计具有一定参考应用价值。

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  88是一款功率因数校正反激式控制器,适用于隔离式恒流LED驱动器。控制器以准谐振模式操作以提供高效率。由于采用了一种新颖的控制方法,该器件能够从初级侧紧密调节恒定的LED电流。这消除了对次级侧反馈电路,其偏置和光耦合器的需求。该器件与最少数量的外部元件高度集成。内置了一套强大的安全保护功能,以简化设计。 特性 优势 集成HV启动电流源 快速启动,低待机功耗&宽输出操作范围 数字PSR CC循环控制 恒定亮度调节 - 数字PSR CV循环控制 在低温条件下良好的启动性能 数字PFC循环算法 超过0.9半负载230 Vac时PF和半负载通用输入时THD低于10% Valley Lock out和Frequency Foldback 在宽输入和输出范围内实现高效率 二次二极管和输出短路保护 避免过热故障情况 开路和短路LED保护 常见LED系统故障的稳健故障处理 V CC欠压和过压保护 强大的故障处理 应用 终端产品 整体LED灯泡 集成LED驱动电子设备 LED光引擎 LED驱动电源 LED灯泡 LED电源驱动器 LED光引擎 LED灯管...

  70是一款线性调节恒流LED控制器,适用于智能照明和相切调光应用。该控制器管理ON半导体专有的自动换向拓扑中的多个串联LED电流,具有高CC调节精度和PF和THD的卓越性能。该器件提供宽模拟调光范围,具有线性调光曲线和待机模式下的低电流消耗。在相切调光应用中,输入电流形状调制提供良好的PF和出色的调光器兼容性。自偏置高压稳压器提供稳定的IC偏置电压,启动时间短。 NCL30170具有多种保护功能,如热关断,输入过压保护,检测电阻短路保护和LED过流限制,以实现高系统可靠性。 特性 优势 准确的LED CC监管: 优秀的光均匀性 可用于恒定功率调节 灵活设计 可选LED通道数 简单功率可扩展性5~300 W 高PF&低THD:>

  0.99 /...

  2是一种采用外部NPN双极器件与反馈电阻相结合的器件,用于调节用于驱动LED的电流。该设备的目标应用是汽车后组合灯。单个驱动程序使用户可以灵活地将单个通道添加到多通道系统。 PWM输入引脚包含专用的调光功能。当检测到开路负载或短路时,单个驱动器关闭。使用与双极晶体管串联的外部电阻可轻松对LED亮度进行编程。电阻的使用使用户可以灵活地在很宽的电流范围内使用该器件。使用单个NCV7692器件可以操作多串LED。后退功率限制可降低过压条件下的驱动电流。该器件采用SOIC-8封装。 特性 优势 LED串驱动器的恒定电流输出 驱动LED器件的理想选择 用于宽电流范围灵活性的外部双极器件>

  - 使用BCP56晶体管,可同时驱动8个字符串(参见数据表信息) 可自定义用户系统要求 外部编程电流电阻器 可自定义用户LED选择 脉冲宽度调制(PWM )控制 PWM控制以获得更好的颜色输出 负温度系数电流控制选项 LED温度系数的补偿 打开LED灯串诊断 报告LED故障以获得全部系统要求 短路LED灯串诊断 报告LED故障以获得全面的系统要求&消...

  3是一种驱动多个外部开关元件的设备,可实现3个独立功能。可以通过适当选择占空比和电池电压来调节每个LED串中的平均电流。该设备的目标应用是汽车后组合灯。每个驱动器都有自己的诊断功能,可以检测开路负载,接地短路或电池.LED平均亮度水平可通过适当的占空比控制和与开关晶体管串联的外部电阻轻松编程。多串LED可通过单个NCV7693器件运行。该器件采用TSSOP-14封装。 特性 3x脉冲宽度调制(PWM)控制 每个功能的独立诊断反馈 外部切换用于宽电流范围灵活性的装置 外部电阻器定义最大电流 打开LED灯串诊断 短 - 电路LED灯串诊断 热关断诊断和保护 PWM输入引脚上的短路保护 多个LED灯串控制 TSSOP-14包 AEC-Q100合格且PPAP能力 应用 后组合灯(RCL) 日间行车灯(DRL) 雾灯 中央高位刹车灯(CHMSL)阵列 转向信号 电路图、引脚图和封装图...

  NCV7685 12通道60 mA LED线由十二个带共同参考的线性可编程恒流源组成。该器件设计用于汽车应用LED的调节和控制。 NCV7685允许128个不同的占空比电平,可通过I2C串行接口编程的每个输出通道独立使用脉冲宽度调制(PWM)进行调节。 PWM频率可以选择四种不同的配置,最高可达1200 Hz。该器件可与使用I2C总线的微控制器应用一起使用,也可在独立应用中使用,可在两种不同的静态配置设置之间进行选择。该IC还为应用提供3.3 V电压基准,最大负载为1 mA。使用外部电阻可轻松编程LED亮度等级。每个通道都有一个内部电路,可通过可选的自动恢复模式检测开路负载条件。如果一个驱动器处于开路负载状态,则可以根据可编程位设置关闭所有其他通道。该器件采用小体型SSOP24-EP封装。 特性 12个通用电流可编程电源,最高60 mA 通过PC为每个通道提供独立的PWM占空比控制 通过I2C进行通用PWM占空比控制 片上150,300,600和1200 Hz PWM 打开LED灯串诊断 预调节器应用的低压差操作 单电流设定点的电阻 电压参考3.3 V / 1 mA 带有CRC8错误检测的8位I2C接口 OTP Bank for Stand-...

  23是一款单芯片高效降压双LED驱动器,专为汽车前照灯应用而设计,如远光灯,近光灯,DRL(日间行车灯),转向指示灯,雾灯,静态转弯等.NCV78723特别适用于高电流LED,并提供完整的解决方案,可驱动2个高达60 V的LED串。它包括2个用于LED灯串的独立电流调节器,以及用于汽车前照灯的所需诊断功能,只需极少的外部元件 - 芯片不需要任何外部检测电阻来实现降压电流调节。可根据单个LED灯串定制可用的输出电流和电压。当1个模块需要2个以上的LED通道时,可以组合2个,3个以上的NCV78723设备。还有NCV78713器件 - NCV78723的衍生产品,包含降压单LED驱动器。由于SPI可编程性,单个硬件配置可以支持各种应用程序平台。 特性 单片 降压拓扑 2 LED指向上行60 V 高电流能力,每路输出高达1.6 A DC 整体效率高 最低外部组件 集成高精度电流感应 集成开关模式降压电流稳压器 平均电流通过LED进行调节 降低电感尺寸的高工作频率 LED开关和调光的低EMC辐射 用于动态控制系统参数的SPI接口 故障安全操作(FSO)模式,独立模...

  固态LED灯采用新开发的双异质结(DH)AlGaAs / GaAs材料技术。这种LED材料在很宽的驱动电流范围内具有出色的光输出效率。主波长为637纳米时,颜色为深红色。该灯可以是直流或脉冲驱动,以实现所需的光输出。 功能 卓越的亮度 宽视角角度 出色的材料效率 低正向电压 CMOS / MOS兼容 TTL兼容 深红流行的T-1包装中的颜色 以卷带和卷轴提供

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