大功率背光源用LED驅動電路的研究現(xiàn)狀與進展

圖4IR2540應用電路。

IR2540的工作原理為：當IR2540的HO引腳輸出高電平時，Q1導通，負載從電源吸收電流，并在輸出電感L2和輸出電容COUT上儲存能量，同時IR2540第三引腳上的反饋電壓VIFB逐漸增加，當VIFB高于0。5V時，控制環(huán)在延遲一段時間后關斷HO端的輸出。HO關斷后，LO將在經(jīng)過死區(qū)時間后開通，電感L2和輸出電容COUT向負載釋放儲存的能量。VIFB開始下降，當VIFB低于0。5V時，控制環(huán)在延遲一段時間后，HO引腳輸出高電平，LO關斷。從而達到穩(wěn)定平均電流的目的。ENN引腳為禁用輸出，起開路保護和調(diào)光的作用，當輸入該引腳的電壓超過2。5V時，IRS2540處于禁用狀態(tài)。當需要調(diào)光時，將一個固定頻率、變占空比的信號加到ENN引腳上，平均負載電流與占空比有直接線性關系。如果占空比是50%，可以實現(xiàn)最大50%的輸出；如果占空比是30%，可以實現(xiàn)最大70%的輸出。

與峰值電流控制型LED驅動芯片不同，IR2540的頻率自由運行并可以通過快速響應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置頻率，頻率是由輸出電感L2和輸出電容COUT以及輸入輸出電壓和負載電流決定。圖5和圖6分別是負載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。這種電路的缺點表現(xiàn)在其效率較低，并且輸出電流和效率隨負載的變化較大。表1為IR2540應用電路在不同負載情況下的測試結果。由表1可見，當負載為10只LED時，電路的效率只有68。2%，與峰值電流控制型LED驅動電路90%以上的效率還有一定的差距。

圖5IR2540驅動6個LED的波形。

圖6IR2540驅動12個LED的波形。

表1IR2540應用電路在不同負載下的效率。

4單級單開關型LED驅動電路

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）電路和開關電源的輸出功率足夠大，導致成本增加。單級單開關型LED驅動電路直接采用220V市電，不需要開關電源，而且電路簡單、成本也比較低，應用單級單開關型LED驅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非隔離型LED驅動電路控制芯片，采用該芯片的LED驅動電路無需變壓器。圖7是基于HV9931的單級單開關型LED驅動電路，輸出功率為18W，效率可達78%。由圖7可見，采用HV9931的LED驅動電路具有電路簡單、成本低的優(yōu)點。圖7中，L1、C3、D5、D6組成輸入Buck？？boost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)導電模式（DCM），輸出級則工作在連續(xù)導電模式（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Q1導通時，Ll中的電流線性增加，同時，電容C3為輸出Buck級供電，流過L2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負端。當Q1關斷時，D6正向偏置，輸入電感電流iL1轉入到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。Ll中的電流線性下降，只要降為零，D6則反向偏置，阻止iL1流動。在Q1再次導通之前，iL1=0的時間為Ll的死區(qū)時間，此時，iL2繼續(xù)流動，直到新的開關周期開始，Q1導通。在AC線路周期之內(nèi)，可以認為開關占空比D和開關頻率fs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TTL兼容方波信號，則可以獲得PWM調(diào)光。在額定輸出電流下，當PWM占空比為5%時，LED的亮度降低50%。PWM頻率應高于100Hz，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。

單級單開關型LED驅動電路是目前的研究熱點，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用；（2）為了實現(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級共用一個開關管，因此開關管的電流應力大；（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致儲能電容電壓應力過高；（5）功率轉換效率較低。

為了改善單級單開關型LED驅動電路的上述不足，國內(nèi)外的學者提出和嘗試了多種方法和電路拓撲：

（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)放電拓撲等方法減少儲能電容電壓應力；（3）采用軟開關、直接功率轉換等方法提高功率轉換效率。