升壓式高亮度LED背光驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)設(shè)計(jì)

摘要：由于LCD面板本身無(wú)法產(chǎn)生光源，所以，必須利用背光的方式將光投射到面板上，讓面板產(chǎn)生亮度，并且亮度必須分布均勻，而獲得畫(huà)面的顯示。以目前來(lái)看，大多數(shù)的LCD背光是利用CCFL及LED來(lái)作為背光源，尤其在中、大尺寸的部分，大多是使用CCFL背光源。
　　
　　隨著消費(fèi)者對(duì)于色彩的要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，LED可以達(dá)到超過(guò)100％的NTSC色譜，由于LED可以提高面板色彩的表現(xiàn)能力，并且加上沒(méi)有太大的環(huán)保問(wèn)題。目前許多業(yè)者都已逐漸將部分的產(chǎn)品導(dǎo)入利用LED作為背光源。
　　
　　本文將以Supertex的以HV9911為例，來(lái)提供讀者升壓式高亮度LED背光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的相關(guān)訊息。
　　
　　■升壓電路設(shè)計(jì)特色
　　
　　升壓電路是用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED的串聯(lián)電壓高于輸入電壓（圖1），并且有以下的特色：
　　
　　1.此電路可被設(shè)計(jì)在效率高于90％下操作。
　　
　　2.M=SFET的（Source）與LED串共地，這簡(jiǎn)化了LED電流的偵測(cè)（不像降壓電路必須選擇上側(cè)FET驅(qū)動(dòng)電路或上測(cè)電流偵測(cè)。但是升壓電路也有些缺點(diǎn)，特別是用于LED驅(qū)動(dòng)，由于LED串的低動(dòng)態(tài)阻抗）。
　　
　　3.輸入電流是連續(xù)的，使得輸入電流的濾波變得簡(jiǎn)單許多（并更容易符合傳導(dǎo)式EMI標(biāo)準(zhǔn)的要求）。
　　
　　4.關(guān)閉用的FET毀損不會(huì)導(dǎo)致LED也被燒毀。
　　
　　5.升壓電路的輸出電流為脈沖式波形，因此，必須加大輸出電容以降低LED串的漣波電流。
　　
　　6.但是過(guò)大的輸出電容，使得PWM調(diào)光控制變得更具挑戰(zhàn)，當(dāng)控制升壓電路開(kāi)與關(guān)，以達(dá)到PWM調(diào)光控制，就表示輸出電流會(huì)被每一個(gè)PWM調(diào)光控制周期充放電，這使得LED串電流的上升與下降時(shí)間會(huì)拉大。
　　
　　7.峰電流控制方式的升壓電路，用以控制LED電流是無(wú)法達(dá)成的，需要閉回路方式使電路穩(wěn)定，這又使得PWM調(diào)光控制更為復(fù)雜，控制電路必須增加頻寬來(lái)達(dá)到所需要的反應(yīng)時(shí)間。
　　
　　8.當(dāng)輸出端短路，控制電路無(wú)法避免輸出電流的增加，即使關(guān)掉Q1FET仍對(duì)輸出短路毫無(wú)影響，并且輸入端電壓的瞬變?cè)斐奢斎攵穗妷旱脑黾恿看笥贚ED串聯(lián)電壓時(shí)過(guò)大的涌浪電流可能會(huì)造成LED的毀損。

圖1 Boost Converter LED Driver

　　■升壓電路操作模式
　　
　　升壓電路可操作于二種模式，連續(xù)導(dǎo)通模式（Continuous Conduction Mode；CCM）或不連續(xù)導(dǎo)通模式（Discontinuous Conduction Mode；DCM），這二種模式是由電感電流的波形決定的。圖2a為CCM升壓電路的電感電流波形，圖2bDCM升壓電路的電感電流波形。
　　
　　CCM升壓電路是用在最大升壓比例（輸出電壓與輸入電壓比值）小于或等于6，并在輸入電流大于1安培的情形下，假如需要更大的升壓比例，則需采用DCM模式。但是DCM模式會(huì)產(chǎn)生較大的峰值電流，因此導(dǎo)致電感的毀損增加，同時(shí)也造成均方根電流的增加。所以，DCM升壓電路的效率要比CCM升壓電路來(lái)得低，這也使得DCM的輸出功率受限制。

圖2 升壓電路的連續(xù)導(dǎo)通模式與不連續(xù)導(dǎo)通模式

　　■以Supertex HV9911為例設(shè)計(jì)升壓LED驅(qū)動(dòng)電路

HV9911為Close Loop，Peak Current Control，Switching Mode LED驅(qū)動(dòng)電源控制IC，它內(nèi)建了許多功能來(lái)客服升壓電路的缺點(diǎn)。HV9911包含了9-250VDC輸入電壓穩(wěn)壓器，不需額外電源，僅由單一輸入電壓提供IC動(dòng)作的工作電源。它內(nèi)建了2％精密的參考電壓（全溫度范圍）能精確地控制LED串聯(lián)電流。并且包含了斷路用的FET驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)輸出短路或過(guò)電壓時(shí)，便會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)LED串之對(duì)地路徑。此功能縮短了控制電路的反應(yīng)時(shí)間（請(qǐng)參考PWM調(diào)光電路說(shuō)明）。（圖3）

　　■HV9911控制電路的功能

圖3 HV9911內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

IC內(nèi)部提供穩(wěn)壓電路9250V輸入電壓，可輸出7.75V電壓輸出提供IC內(nèi)部電源使用，若輸入電壓范圍提升可經(jīng)由外接一個(gè)200V，2WZener Diode于輸入電壓與IC的Vin pin之間（如圖1-4），這可使得輸入電壓范圍可提升至450VDC，亦可以使得IC內(nèi)部穩(wěn)壓電路所產(chǎn)生的功率損耗分散一部份在Zener Diode上。

圖4 Increasing the Input Voltage Rating

IC的VDD pin工作電壓可提高（如果有必要的話）藉由一個(gè)二極管連接至外部電壓，此二極管是避免將外部電壓若低于IC內(nèi)部穩(wěn)壓電路的輸出電壓時(shí)，會(huì)造成IC的燒毀，最大的外接靜態(tài)穩(wěn)定電壓為12V（瞬態(tài)電壓為13.5V），因此11V+/-5％的電壓源是理想的外部提升電壓值。

　　IC內(nèi)部提供1.25％、2％精密參考電壓，這參考電壓可用來(lái)設(shè)定電流參考位準(zhǔn)，以及輸入電流限制位準(zhǔn)，此參考電壓也同時(shí)提供IC內(nèi)部設(shè)定過(guò)電壓保護(hù)。
　　
　　振蕩電路時(shí)間模式
　　
　　振蕩電路可經(jīng)由外部電阻設(shè)定振蕩頻率。若此電阻跨接于RT及GND pins之間，則IC操作于定頻模式，另外，若電阻跨接于RT與GATE pins間，則IC操作于固定關(guān)閉時(shí)間模式（此模式不需要斜率補(bǔ)償控制使電路穩(wěn)定）。定頻時(shí)間或關(guān)閉時(shí)間可設(shè)定于2.8ms到40ms之間，可運(yùn)用IC規(guī)格書(shū)內(nèi)的計(jì)算式設(shè)定。
　　
　　于定頻操作模式下，將所有SYNC在一起，多個(gè)IC可操作在單一頻率。少數(shù)個(gè)案必須外加一個(gè)大電阻2300于SYNC到GND之間，用來(lái)抑制雜散電容所造成的振鈴，當(dāng)所有SYNC連接在一起時(shí)，建議使用相同電阻值跨接于每一個(gè)IC的RT與GND之間的電阻。
　　
　　閉回路控制的形成是連接輸出電流信號(hào)至FDBK pin，同時(shí)將電流參考位準(zhǔn)連接至IREF pin，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接至Comp pin（傳導(dǎo)運(yùn)算放大器的輸出端），如圖5所示。放大器的輸出受PWM調(diào)光信號(hào)所控制，當(dāng)PWM調(diào)光信號(hào)為High時(shí)放大器的輸端連接至補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)PWM調(diào)光信號(hào)為L(zhǎng)ow時(shí)，放大器的輸出端與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)被切斷，因此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電容電壓維持住，一直到PWM調(diào)光信號(hào)再度回復(fù)High準(zhǔn)位時(shí)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)才又連接圖放大器的輸出端，這樣可確保電路動(dòng)作正常以及獲得非常良好的PWM調(diào)光反應(yīng)，而不需要設(shè)計(jì)一個(gè)快速的控制電路。