大功率背光源用LED驅(qū)動(dòng)電路的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

摘要：結(jié)合具體的LED驅(qū)動(dòng)電路控制芯片，對峰值電流控制型、平均電流控制型、單級(jí)單開關(guān)非隔離型LED驅(qū)動(dòng)電路的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和性能改進(jìn)措施做了論述。給出了采用頻率抖動(dòng)技術(shù)的LED驅(qū)動(dòng)電路的傳導(dǎo)EMI峰值及平均值測量結(jié)果和基于IR2540的平均電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路的工作波形及效率測量結(jié)果，并對脈沖恒流源型LED驅(qū)動(dòng)電路的原理做了簡要的介紹，最后從恒流精度、效率、成本3個(gè)方面綜合分析了LED驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展趨勢。

1引言

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(dòng)態(tài)調(diào)整，在顯示不同畫面時(shí)，可以使亮度與對比度進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，以實(shí)現(xiàn)更好的畫質(zhì)。

據(jù)預(yù)測，到2013年，將有90%的筆記本電腦和40%的液晶電視使用LED背光源。由于LED是一個(gè)低壓非線性半導(dǎo)體器件，LED的正向電壓會(huì)隨著電流和溫度的變化而變化，需要有驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路的解決方案，是一項(xiàng)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(dòng)電路有峰值電流控制型、平均電流控制型、單級(jí)單開關(guān)型3種類型，這3種LED驅(qū)動(dòng)電路各有特點(diǎn)。本文結(jié)合具體的LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)電路的發(fā)展趨勢。

2峰值電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路

峰值電流控制型LED驅(qū)動(dòng)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40V，最多可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)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1HV9982應(yīng)用電路

HV9982的工作原理為：L1、D2、Q1、C14組成Boost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(shí)，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5V時(shí)，Q2關(guān)斷，同時(shí)HV9982內(nèi)部的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)完成后，再次檢測OVP引腳上的電壓是否超過5V，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(shí)，當(dāng)PWMD引腳為高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通；當(dāng)PWMD引腳為低電平時(shí)，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(hào)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(dòng)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(huì)因次諧波振蕩存在運(yùn)行不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，采用斜坡補(bǔ)償可以解決這個(gè)問題，但是如果某些LED驅(qū)動(dòng)芯片不支持振蕩器電容連接，斜坡補(bǔ)償會(huì)很難實(shí)施。另外，斜坡補(bǔ)償也會(huì)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(shí)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(dòng)。

（2）對噪聲敏感，抗噪聲性能差。因?yàn)殡姼刑幱谶B續(xù)儲(chǔ)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(hào)的上升斜坡通常較小，電流信號(hào)上的較小噪聲就很容易使開關(guān)器件改變關(guān)斷時(shí)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(dòng)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(dòng)電路的性能，目前，研究人員主要在以下幾個(gè)方面對其進(jìn)行改進(jìn)：

（1）采用頻率抖動(dòng)技術(shù)改善EMI特性。未采用頻率抖動(dòng)技術(shù)時(shí)，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(dòng)技術(shù)的LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路的恒流性能，解決在輸入電壓變動(dòng)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PT4107LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路

平均電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路克服了峰值電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路可能會(huì)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(hào)；（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(dòng)芯片，可驅(qū)動(dòng)200V的MOSFET。該LED驅(qū)動(dòng)芯片采用獨(dú)有的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器，可連續(xù)監(jiān)控負(fù)載電流，并通過時(shí)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(shí)為同步整流設(shè)計(jì)提供一個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)。IRS2540的應(yīng)用電路如圖4所示。

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