大功率背光源用LED驱动电路的原理解析

电子工程网 发表于 2019-09-09 15:42:26 收藏 已收藏
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大功率背光源用LED驱动电路的原理解析

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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 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。

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。

2 峰值电流控制型LED 驱动电路

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。

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图1 HV9982 应用电路

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。

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图2 传导EMI 峰值和平均值测试结果

(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。

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图3 峰值补偿电流控制技术原理。

3 平均电流控制型LED 驱动电路

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。

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图4 IR2540 应用电路。

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V IFB 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性关系。如果占空比是50%, 可以实现最大50% 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。

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图5 IR2540 驱动6 个LED 的波形。

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图6 IR2540 驱动12 个LED 的波形。

表1 IR2540 应用电路在不同负载下的效率。

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4 单级单开关型LED 驱动电路

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 中的电流线性增加,同时,电容C3 为输出Buck 级供电,流过L 2 的电流也线性增加。iL1的电流通路为: 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:

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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真。图8 是输入电压和电流波形。

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图8 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( 线性) 调光,也可获得50%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。

5 脉冲恒流源型LED 驱动电路

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。

6 大功率背光源用LED 驱动电路的发展趋势

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。

7 结论

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。
来源;电子工程网

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