大功率背光源用LED驅(qū)動電路的原理解析

作為LCD 的背光源，LED 現(xiàn)在已顯露出取代CCFL 的趨勢。與傳統(tǒng)的CCFL 相比，LED 背光源具有色域?qū)?、色彩還原性好、可控性強(qiáng)、壽命長、不含汞蒸氣和其他有害氣體等優(yōu)點(diǎn)。LED 背光源還能實(shí)現(xiàn)CCFL 無法相比的分區(qū)域色彩和亮度調(diào)節(jié)功能，從而更加精確地實(shí)現(xiàn)色彩還原和畫面的動態(tài)調(diào)整，在顯示不同畫面時，可以使亮度與對比度進(jìn)行動態(tài)修正，以實(shí)現(xiàn)更好的畫質(zhì)。

LED是一個低壓非線性半導(dǎo)體器件，LED 的正向電壓會隨著電流和溫度的變化而變化，需要有驅(qū)動電路才能保證其穩(wěn)定可靠地工作，因此，研究大功率背光源用LED 驅(qū)動電路的解決方案，是一項具有前沿性和現(xiàn)實(shí)性的工作。

目前，大功率背光源用LED 驅(qū)動電路有峰值電流控制型、平均電流控制型、單級單開關(guān)型3 種類型，這3 種LED 驅(qū)動電路各有特點(diǎn)。本文結(jié)合具體的LED 驅(qū)動電路控制芯片，從原理、優(yōu)缺點(diǎn)、性能改進(jìn)措施等方面對這3 種類型的LED 驅(qū)動電路進(jìn)行了分析，并對正處于研發(fā)階段的高性能脈沖恒流源型LED 驅(qū)動電路的原理做了簡要的介紹，最后分析了大功率背光源用LED 驅(qū)動電路的發(fā)展趨勢。

2 峰值電流控制型LED 驅(qū)動電路

峰值電流控制型LED 驅(qū)動電路目前應(yīng)用最為廣泛，這種電路的效率可達(dá)90% 以上，而且具有電路簡單、成本低的特點(diǎn)。HV9982 是這種電路的典型控制芯片。HV9982 有三路輸出，R、G、B 各一路，最高輸入電壓為40 V， 最多可以同時驅(qū)動54 顆LED， 具有輸出短路保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、Hiccup 模式保護(hù)功能。圖1 是HV9982 的應(yīng)用電路。圖中只畫出了一路輸出，其余兩路輸出與這一路相同。

圖1 HV9982 應(yīng)用電路

HV9982 的工作原理為： L1 、D2、Q1、C14 組成Boo st 升壓變換器電路，CS 引腳檢測流過Q1 的電流，當(dāng)流過Q1 的電流超過一定值時，Q1 關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)恒流輸出。Q2 起輸出過壓保護(hù)和調(diào)光的作用，OVP 引腳用來檢測過電壓，當(dāng)此引腳的電壓超過5 V 時，Q2 關(guān)斷，同時HV 9982 內(nèi)部的計時器開始計時，當(dāng)計時完成后，再次檢測OVP引腳上的電壓是否超過5 V， 不超過則Q2 導(dǎo)通，超過則Q2 繼續(xù)關(guān)斷，如此重復(fù)。調(diào)光時，當(dāng)PWMD 引腳為高電平時，Q2 導(dǎo)通； 當(dāng)PWMD 引腳為低電平時，Q2 關(guān)斷，將LED 從電路中斷開，防止輸出電容通過LED 放電。改變PWMD引腳調(diào)光信號的占空比，就可調(diào)節(jié)LED 的亮度。

峰值電流控制型LED 驅(qū)動電路雖然具有電路簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的缺點(diǎn)，具體表現(xiàn)在：

（1）電路可能會因次諧波振蕩存在運(yùn)行不穩(wěn)定的風(fēng)險，采用斜坡補(bǔ)償可以解決這個問題，但是如果某些LED?驅(qū)動芯片不支持振蕩器電容連接，斜坡補(bǔ)償會很難實(shí)施。另外，斜坡補(bǔ)償也會引起被檢測電流與實(shí)際LED 電流之間的誤差。有的學(xué)者試圖采用固定關(guān)斷時間（ 而不是固定頻率） 的工作方式來解決這一問題，這樣雖然可以解決次諧波振蕩問題，且占空比也大于50%， 但是為了增加占空比就必須降低頻率，從而導(dǎo)致頻率在占空比范圍內(nèi)的大幅波動。

（2） 對噪聲敏感，抗噪聲性能差。因為電感處于連續(xù)儲能電流狀態(tài)，與控制電壓編程決定的電流、電平相比較，開關(guān)器件的電流信號的上升斜坡通常較小，電流信號上的較小噪聲就很容易使開關(guān)器件改變關(guān)斷時刻，使系統(tǒng)進(jìn)入次諧波振蕩。

（3） 峰值電感電流的大小不能與平均電感電流的大小一一對應(yīng)，在占空比不同的情況下，相同的峰值電感電流可以對應(yīng)不同的平均電感電流，在輸入電壓變動的情況下，流過LED 的平均電流發(fā)生改變，恒流精度不高。

為了進(jìn)一步提高峰值電流控制型LED 驅(qū)動電路的性能，目前，研究人員主要在以下幾個方面對其進(jìn)行改進(jìn)：

（1） 采用頻率抖動技術(shù)改善EMI?特性。未采用頻率抖動技術(shù)時，各次諧波較窄而且離散，幅值在諧波頻率處較高。圖2 是采用了頻率抖動技術(shù)的LED 驅(qū)動電路的傳導(dǎo)EMI 峰值和平均值測試結(jié)果。采用該技術(shù)可使諧波幅值降低并且變的平滑，高次諧波接近連續(xù)響應(yīng)，減少EMI 的效果十分顯著。

圖2 傳導(dǎo)EMI 峰值和平均值測試結(jié)果

（2） 采用補(bǔ)償峰值電流控制技術(shù)提高LED?驅(qū)動電路的恒流性能，解決在輸入電壓變動的情況下流過LED 的平均電流發(fā)生改變的問題。國內(nèi)華潤矽微科技有限公司推出的PT 4107LED 驅(qū)動電路控制芯片就采用了該技術(shù)。圖3 是補(bǔ)償峰值電流控制技術(shù)原理圖。

圖3 峰值補(bǔ)償電流控制技術(shù)原理。

3 平均電流控制型LED 驅(qū)動電路

平均電流控制型LED 驅(qū)動電路克服了峰值電流控制型LED 驅(qū)動電路可能會出現(xiàn)次諧波振蕩等不足，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 平均電感電流能夠高精度地跟蹤電流編程信號；（2） 不需要斜坡補(bǔ)償；（3） 抗噪聲性能優(yōu)越。

美國國際整流器公司（IR）推出的IRS2540是一種平均電流控制型LED?驅(qū)動芯片，可驅(qū)動200 V 的MOSFET 。該LED 驅(qū)動芯片采用獨(dú)有的高側(cè)驅(qū)動器，可連續(xù)監(jiān)控負(fù)載電流，并通過時間延遲滯后控制法，精確調(diào)節(jié)電流，從而提供優(yōu)勢明顯的平均電流控制功能； 內(nèi)置短路保護(hù)功能，可以通過簡單的外部電路實(shí)現(xiàn)開路保護(hù)功能，同時為同步整流設(shè)計提供一個低壓側(cè)驅(qū)動。IRS2540 的應(yīng)用電路如圖4 所示。

圖4 IR2540 應(yīng)用電路。

IR2540 的工作原理為： 當(dāng)IR2540 的HO 引腳輸出高電平時，Q1 導(dǎo)通，負(fù)載從電源吸收電流，并在輸出電感L 2 和輸出電容COU T 上儲存能量，同時IR2540 第三引腳上的反饋電壓V IFB 逐漸增加，當(dāng)V IFB 高于0. 5 V 時，控制環(huán)在延遲一段時間后關(guān)斷HO 端的輸出。HO 關(guān)斷后，LO 將在經(jīng)過死區(qū)時間后開通，電感L 2 和輸出電容COUT 向負(fù)載釋放儲存的能量。VIFB 開始下降，當(dāng)VIFB 低于0. 5 V 時，控制環(huán)在延遲一段時間后，HO 引腳輸出高電平，LO 關(guān)斷。從而達(dá)到穩(wěn)定平均電流的目的。ENN 引腳為禁用輸出，起開路保護(hù)和調(diào)光的作用，當(dāng)輸入該引腳的電壓超過2. 5 V 時，IRS2540 處于禁用狀態(tài)。當(dāng)需要調(diào)光時，將一個固定頻率、變占空比的信號加到ENN 引腳上，平均負(fù)載電流與占空比有直接線性關(guān)系。如果占空比是50%， 可以實(shí)現(xiàn)最大50% 的輸出； 如果占空比是30%， 可以實(shí)現(xiàn)最大70% 的輸出。

與峰值電流控制型LED 驅(qū)動芯片不同，IR2540 的頻率自由運(yùn)行并可以通過快速響應(yīng)輸入和輸出電壓的變化維持電流調(diào)節(jié)，該芯片不需要外部器件來設(shè)置頻率，頻率是由輸出電感L2 和輸出電容COU T 以及輸入輸出電壓和負(fù)載電流決定。圖5 和圖6 分別是負(fù)載6 只LED 和12 只LED 時IRS2540 的工作波形，圖中的4 個波形由上到下分別為LED 的電壓波形、輸入電壓波形、LED 的電流波形、LO 引腳的電壓波形。這種電路的缺點(diǎn)表現(xiàn)在其效率較低，并且輸出電流和效率隨負(fù)載的變化較大。表1 為IR2540 應(yīng)用電路在不同負(fù)載情況下的測試結(jié)果。由表1 可見，當(dāng)負(fù)載為10 只LED 時，電路的效率只有68. 2%，與峰值電流控制型LED 驅(qū)動電路90% 以上的效率還有一定的差距。

圖5 IR2540 驅(qū)動6 個LED 的波形。

圖6 IR2540 驅(qū)動12 個LED 的波形。

表1 IR2540 應(yīng)用電路在不同負(fù)載下的效率。

4 單級單開關(guān)型LED?驅(qū)動電路

在大屏幕液晶電視和液晶顯示器中，背光源耗電量所占的比重是最大的，如果LED 驅(qū)動電路采用直流供電，就要求液晶電視和液晶顯示器內(nèi)功率因數(shù)校正（ PFC） 電路和開關(guān)電源的輸出功率足夠大，導(dǎo)致成本增加。單級單開關(guān)型LED 驅(qū)動電路直接采用220 V 市電，不需要開關(guān)電源，而且電路簡單、成本也比較低， 應(yīng)用單級單開關(guān)型LED 驅(qū)動電路可以顯著降低液晶電視和液晶顯示器的成本。

美國超科公司推出的HV9931 是一種具有有源功率因數(shù)校正功能的單級單開關(guān)非隔離型LED 驅(qū)動電路控制芯片，采用該芯片的LED 驅(qū)動電路無需變壓器。圖7 是基于HV9931 的單級單開關(guān)型LED 驅(qū)動電路，輸出功率為18 W， 效率可達(dá)78%.由圖7 可見，采用HV9931 的LED驅(qū)動電路具有電路簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。圖7 中，L1 、C3、D5、D6 組成輸入Buck？？boo st 級，它與L2、D7、D8 組成的輸出Buck 級相級連，兩個變換器共用一個功率管Q1 ， 輸入Buck？？boost 工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM） ， 輸出級則工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（ CCM） ， 電路降壓比為兩個變換器降壓比的乘積。這樣，不用變壓器就可獲得高降壓比。

HV9931 的工作原理為： 當(dāng)Q1 導(dǎo)通時，Ll 中的電流線性增加，同時，電容C3 為輸出Buck 級供電，流過L 2 的電流也線性增加。iL1的電流通路為： D5 → L1 → Q1→R6 ; iL2的電流路徑為： C3 正端→ Ql →R7 → LED →L2 → D7 →C3 負(fù)端。當(dāng)Q1 關(guān)斷時，D6 正向偏置，輸入電感電流i L1 轉(zhuǎn)入到C3 ，電流流向為： D5→Ll→C3 →D6 ; 同時，流過L2 的電流流過D8 ， iL2 流向為： L2→D8 →R7 → LED.L l中的電流線性下降，只要降為零，D6 則反向偏置，阻止i L1流動。在Q1 再次導(dǎo)通之前，i L1 = 0 的時間為L l 的死區(qū)時間，此時，i L2 繼續(xù)流動，直到新的開關(guān)周期開始，Q1 導(dǎo)通。在A C 線路周期之內(nèi)，可以認(rèn)為開關(guān)占空比D 和開關(guān)頻率f s 不變，于是，L1 的峰值電流iL1（ pk） 和平均輸入電流直接與輸入電壓成正比：

式中： Iin 為輸入電流，Vin 為輸入電壓，Reff 為有效輸入電阻。

L1 中的峰值電流iL1（ pk） 正比于輸入電壓，平均輸入電流呈正弦波形。因此可獲得單位功率因數(shù)和低輸入電流諧波失真。圖8 是輸入電壓和電流波形。

圖8 輸入電壓和電流波形

HV9931 的PWMD 引腳連接到VDD，HV9931 正常工作。若PWMD 引腳接地或開路，則HV9931 停止工作。若在PWMD 引腳施加一個T T L 兼容方波信號，則可以獲得PWM 調(diào)光。在額定輸出電流下，當(dāng)PWM 占空比為5%時，LED 的亮度降低50% .PWM 頻率應(yīng)高于100 Hz， 以使人眼看不到頻閃。通過施加5% 的LED 電流，采用模擬（ 線性） 調(diào)光，也可獲得50%的亮度。

單級單開關(guān)型LED 驅(qū)動電路是目前的研究熱點(diǎn)，但是還存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下5 個方面：

（1） 輸出功率較小，目前只在中小功率場合獲得了一定的應(yīng)用；（2） 為了實(shí)現(xiàn)自動輸入電流整形，輸入PFC電感需工作在恒占空比的DCM 模式，且PFC 級和DC/ DC 級共用一個開關(guān)管，因此開關(guān)管的電流應(yīng)力大；（3） 輸入PFC 電感需工作在恒占空比的DCM 模式，整流輸入端的高頻電流紋波大，需要的EMI?濾波器體積大；（4） 為了提高功率轉(zhuǎn)換效率，DC/ DC 級一般都工作在CCM 狀態(tài)，高輸入電壓和輕載時，由于輸入能量和輸出能量瞬間不平衡而導(dǎo)致儲能電容電壓應(yīng)力過高；（5） 功率轉(zhuǎn)換效率較低。

為了改善單級單開關(guān)型LED?驅(qū)動電路的上述不足，國內(nèi)外的學(xué)者提出和嘗試了多種方法和電路拓?fù)洌?/p>

（1） 采用輸入PFC 電感交錯并聯(lián)、輸入PFC電感工作在CCM 模式等方法減少輸入電流紋波；（2） 采用DC/ DC 級工作在DCM 模式、變頻控制、母線電壓反饋、串聯(lián)充電并聯(lián)放電拓?fù)涞确椒p少儲能電容電壓應(yīng)力；（3） 采用軟開關(guān)、直接功率轉(zhuǎn)換等方法提高功率轉(zhuǎn)換效率。

雖然單級單開關(guān)型LED 驅(qū)動電路還存在一些不足，但是其電路簡單、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)亦非常引人關(guān)注，隨著研究的不斷深入，單級單開關(guān)型LED 驅(qū)動電路將會有廣闊的發(fā)展空間。

5 脈沖恒流源型LED 驅(qū)動電路

與上述3 種LED 驅(qū)動電路不同，脈沖恒流源型LED 驅(qū)動電路供給LED 的是脈沖電流，電流脈沖頻率和占空比可以調(diào)整，為LED 提供充分可控的恒定電流。由于采用脈沖供電，LED 處于間歇工作狀態(tài)，LED 的發(fā)熱量大幅減少，從而使LED 的光衰減少，延長了LED 的壽命。另外，脈沖恒流源充分利用了LED 內(nèi)熒光粉的余輝效應(yīng)，不但不會有光的閃爍現(xiàn)象，還會進(jìn)一步提高LED的發(fā)光效率。與上述3 種LED 驅(qū)動電路相比，脈沖恒流源型LED 驅(qū)動電路具有顯著的性能優(yōu)勢，但是，脈沖恒流源的電路比較復(fù)雜，成本較高，只在小功率的LED 驅(qū)動電路中獲得了一定的應(yīng)用，大功率的脈沖恒流源型LED 驅(qū)動電路還處在研發(fā)階段，還沒有商品化。

6 大功率背光源用LED 驅(qū)動電路的發(fā)展趨勢

目前LED 的效率還比較低，而大功率LED背光源的功率可達(dá)100 W 以上，所以大功率LED背光源的散熱是一個非常重要和具有挑戰(zhàn)性的問題。如果LED 驅(qū)動電路的效率也比較低，那么不但會多消耗電能，而且會加重液晶電視和液晶顯示器的整機(jī)散熱負(fù)擔(dān)。恒流精度直接影響液晶電視和液晶顯示器畫面的亮度和均勻性，恒流精度當(dāng)然越高越好。與CCFL 背光源相比，LED 背光源的成本還比較高，這是影響LED 背光源推廣應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素。低成本的LED 驅(qū)動電路，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 驅(qū)動電路今后的發(fā)展趨勢。峰值電流控制型LED 驅(qū)動電路雖然效率高，但是存在電路有可能發(fā)生次諧波振蕩、恒流精度不高、抗噪聲性能差的缺點(diǎn)。平均電流控制型LED 驅(qū)動電路雖然恒流精度高，但是效率低。脈沖恒流源型LED 驅(qū)動電路雖然在效率和恒流精度兩個方面具有一定的優(yōu)勢，特別是脈沖恒流源型LED 驅(qū)動電路能使LED 的發(fā)熱量大幅減少，這對簡化大功率LED 背光源的熱設(shè)計是非常有用的，但是由于其電路復(fù)雜、成本高，目前還沒有大功率的脈沖恒流源型LED?驅(qū)動芯片問世，其發(fā)展前景目前還很難判斷。單級單開關(guān)型LED 驅(qū)動電路具有成本低、電路簡單的優(yōu)點(diǎn)，而且恒流性能也比較好。應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然單級單開關(guān)型LED 驅(qū)動電路的效率還比較低，但它是直接使用220 V 市電，其他類型的LED 驅(qū)動電路還需要開關(guān)電源供電，如果把PFC 電路和開關(guān)電源的效率計算進(jìn)去，電路的總效率幾乎與單級單開關(guān)型LED 驅(qū)動電路的效率相當(dāng)，甚至還比單級單開關(guān)LED 驅(qū)動電路的效率還要低。雖然單級單開關(guān)LED 驅(qū)動電路還存在一些不足，隨著研究的深入，其性能會不斷提高。綜上所述，目前單級單開關(guān)型LED 驅(qū)動電路是最具有發(fā)展前景的，是當(dāng)今大功率背光源用LED 驅(qū)動電路的發(fā)展趨勢。

7 結(jié)論

由于LED 背光源的諸多優(yōu)點(diǎn)，LED 背光源正在進(jìn)入高速發(fā)展時期。LED 驅(qū)動電路作為LED 背光源中不可缺少的一部分，其重要性是不言而喻的。本文對大功率背光源用LED 驅(qū)動電路進(jìn)行了分析，探討了大功率背光源用LED 驅(qū)動電路的發(fā)展趨勢，對大功率背光源用LED 驅(qū)動電路的研究與設(shè)計具有一定參考應(yīng)用價值。
來源；電子工程網(wǎng)