用于汽車(chē)/HDTV背光的高電流LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

LED實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度比/高分辨率

其中的應(yīng)用實(shí)例包括汽車(chē)的車(chē)身面板或高畫(huà)質(zhì)電視(HDTV)中的液晶顯示器(LCD)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谄?chē)或HDTV的使用期限內(nèi)將永遠(yuǎn)不須更換。此外，LED的面積和高度要比同類(lèi)替代方案小幾個(gè)等級(jí)，而且可以制作成非常扁平的外形，因此能永久性嵌入于汽車(chē)的內(nèi)部和外部裝置及扁平的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中。另外，透過(guò)紅光、綠光和藍(lán)光LED配置，還可以提供無(wú)限多種彩色光。LED的調(diào)光和接通/關(guān)斷操作速度之快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類(lèi)肉眼的分辨能力，因而在背光應(yīng)用 HDTV及其它類(lèi)型的顯示器中，帶來(lái)了巨大的改善。如果沒(méi)有LED，高對(duì)比度和高分辨率的HDTV將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

然而，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師所面臨的最大挑戰(zhàn)之一是如何最佳化最新一代LED的優(yōu)勢(shì)？由于LED通常需要一個(gè)準(zhǔn)確而高效的直流電(DC)電流源及一種調(diào)光方法，因此，必須設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)IC以在眾多應(yīng)用中滿(mǎn)足這些要求。電源解決方案必須具備高效、功能堅(jiān)固性、精小和具成本效益等特點(diǎn)。因此對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)IC而言，汽車(chē)應(yīng)用和大型HDTV 液晶顯示器的背光應(yīng)用是諸多極苛刻應(yīng)用中的兩個(gè)實(shí)例。

由于LED在汽車(chē)應(yīng)用中所擁有的綜合優(yōu)勢(shì)，各種汽車(chē)照明形式已全面采用，從車(chē)前燈到儀表盤(pán)/導(dǎo)航裝置的背光及普通的車(chē)身內(nèi)部/外部照明等一應(yīng)俱全。傳統(tǒng)上一直由冷陰極管(CCFL)提供的HDTV背光應(yīng)用正在逐漸地被規(guī)模較大、能夠以單獨(dú)的LED串調(diào)光的高亮度LED陣列所取代，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的局部調(diào)光。相較于采用CCFL背光源的傳統(tǒng)HDTV，將使對(duì)比度比提高一個(gè)等級(jí)。由于具有局部調(diào)光能力和超快的響應(yīng)時(shí)間，因此可以實(shí)現(xiàn)LED亮度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而解決在CCFL背光照明HDTV固有的運(yùn)動(dòng)圖像模糊問(wèn)題。

汽車(chē)照明應(yīng)用逐漸采用LED

高亮度LED具備尺寸小、低功耗和快速接通時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，因此被汽車(chē)廣泛采用的局面。LED在汽車(chē)中的初始應(yīng)用是中央高架停車(chē)燈(CHMSL)；此應(yīng)用使用紅光LED提供一個(gè)非常扁平的照明陣列，該照明陣列易于安裝，而且永遠(yuǎn)不須要更換。

傳統(tǒng)上，白熾燈泡是最為經(jīng)濟(jì)的光源，且仍被許多汽車(chē)所采用。然而，隨著可用照明空間的日益縮小及對(duì)照明光源使用壽命要求的不斷提高，在許多應(yīng)用中，由LED所提供的燈光色彩和精簡(jiǎn)型設(shè)計(jì)方案正迅速取代白熾燈泡。信息娛樂(lè)系統(tǒng)中的傳統(tǒng)CCFL背光已漸被白光LED陣列取代，白光LED陣列提供了更精準(zhǔn)且可調(diào)的背光且可輕松超越汽車(chē)壽命的使用期限。

另外，人們還在利用一種“可操縱”型高電流LED陣列開(kāi)發(fā)車(chē)前燈。該領(lǐng)域一直是被鹵素/氙燈絲設(shè)計(jì)所獨(dú)占的。幾乎所有的汽車(chē)照明應(yīng)用(包括車(chē)身內(nèi)部 /外部照明和背光照明應(yīng)用)都將逐步采用LED。在該環(huán)境中使用LED的好處具有諸多積極的含意。首先，LED永遠(yuǎn)不須更換，因?yàn)槠溟L(zhǎng)達(dá)100,000小時(shí)以上的固態(tài)壽命(使用年限為11.5年)比汽車(chē)的使用壽命還要長(zhǎng)。這使得汽車(chē)制造商能夠把它們永久性地嵌入「車(chē)艙內(nèi)」的照明系統(tǒng)中，而毋須像以往預(yù)留用來(lái)更換燈絲燈泡的入口。由于LED照明系統(tǒng)不需白熾燈泡所要求的安裝深度或面積，因此還可使汽車(chē)的造型發(fā)生引人注目的顯著變化。

圖1為近期投產(chǎn)的Lexus LS600h LED頭燈。奧迪(Audi)的R8和通用汽車(chē)(GM)的Escalade也擁有類(lèi)似的選項(xiàng)。所有這些車(chē)輛的總體照明配置都是相似的。每個(gè)車(chē)前燈部件包含五種專(zhuān)為所有照明要求而最佳化的LED光束，這些光束包括近光、遠(yuǎn)光、彎道光、晝間行駛燈和方向燈，全由LED來(lái)提供。標(biāo)準(zhǔn)光束一般將需要35～50瓦的功率。聽(tīng)起來(lái)好像并不太多，但LED提供的光通量是鹵素?zé)舻氖?，因此，LED的光輸出相當(dāng)于500瓦鹵素?zé)?。遠(yuǎn)光所需的功率與標(biāo)準(zhǔn)光束相同或稍高，而彎道光、晝間行駛燈和轉(zhuǎn)向訊號(hào)需要較少的功率。這些光束均可利用單個(gè)HB LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，由于電能消耗可能超過(guò)200瓦，可見(jiàn)采用發(fā)熱量極少的高效率LED驅(qū)動(dòng)器的重要性。

圖1　HB LED Lexus LS600h前照燈/方向燈/大燈

LED驅(qū)動(dòng)電路提升產(chǎn)品性能

為了確保最佳的性能和長(zhǎng)久的工作壽命，LED需要一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)電路。這些驅(qū)動(dòng)電路必須能夠從相當(dāng)苛刻的汽車(chē)電源總線獲取工作電源，而且還應(yīng)兼具成本和空間“效益性”。為了維持其長(zhǎng)久的工作壽命，一定不得超過(guò)LED的電流和溫度限值。

大多數(shù)前照燈應(yīng)用都需要大約50瓦的LED電流。有廠商專(zhuān)為此應(yīng)用而設(shè)計(jì)能把汽車(chē)總線電壓(標(biāo)稱(chēng)值為12伏特)提升至高達(dá)60伏特，以驅(qū)動(dòng)多達(dá)十四個(gè)串聯(lián)的1安培LED(圖2)。

圖2　采用LED驅(qū)動(dòng)器解決方案的50瓦前照燈電路圖

圖3顯示某LED驅(qū)動(dòng)器解決方案的效率可高達(dá)93%，它免除了對(duì)任何功率組件進(jìn)行散熱的需要，從而實(shí)現(xiàn)了非常精小的接腳占位。雖然圖2中的電路是升壓模式架構(gòu)，但運(yùn)用了獨(dú)特的高壓側(cè)電流檢測(cè)設(shè)計(jì)，使其還能夠根據(jù)應(yīng)用的特殊要求而被配置成升壓、降壓模式、升降壓模式或反馳式架構(gòu)。

圖3　圖2所示電路的效率曲線

該解決方案的設(shè)計(jì)是從一個(gè)內(nèi)部調(diào)節(jié)7伏特電源來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)低壓側(cè)外部N通道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)。固定頻率、電流模式架構(gòu)在一個(gè)寬廣的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和精準(zhǔn)的運(yùn)作。若LED驅(qū)動(dòng)器IC想在輸入電壓不穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)恒定的LED亮度，其設(shè)計(jì)中必須提供一個(gè)定電流源。這對(duì)汽車(chē)應(yīng)用特別重要，因?yàn)檩斎腚妷簳?huì)在冷啟動(dòng)和負(fù)載突降等過(guò)程中遇到瞬變而發(fā)生巨大擺動(dòng)，因此，相關(guān)解決方案的最大輸入電壓要求，即使主汽車(chē)總線承受瞬態(tài)電壓的情況下，也要能調(diào)節(jié)LED電流和電壓。

此外，一個(gè)參考于地電位的電壓回饋針腳可充當(dāng)眾多LED保護(hù)功能電路(如開(kāi)路LED保護(hù))的輸入，并使轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生電壓源的作用。一個(gè)頻率調(diào)節(jié)接腳則允許使用者在100k～1MHz的范圍內(nèi)進(jìn)行頻率設(shè)置，以最佳化效率和性能，同時(shí)最大限度地縮減外部組件尺寸。

目前相關(guān)廠商設(shè)計(jì)中有True Color脈沖寬度調(diào)變(PWM)調(diào)光功能可實(shí)現(xiàn)高達(dá)3,000:1的調(diào)光比，而發(fā)射光的色彩無(wú)變化(圖4)，從而使得能夠利用PWM的工作周期來(lái)對(duì) LED前照燈進(jìn)行經(jīng)常性的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)各種環(huán)境條件。由于凌力爾特的高電流LED驅(qū)動(dòng)器是電流模式穩(wěn)壓器，因此它們并非直接調(diào)節(jié)電源開(kāi)關(guān)的工作周期，而是由回授回路負(fù)責(zé)在每個(gè)周期中控制開(kāi)關(guān)中的峰值電流。相較于電壓模式控制，電流模式控制改善了回路動(dòng)態(tài)特性，并提供了逐周期電流限制。

圖4　圖2中True Color PWM調(diào)光示意圖

HDTV增長(zhǎng)帶動(dòng)　LED背光應(yīng)用

汽車(chē)中的信息娛樂(lè)和導(dǎo)航顯示器的LED背光應(yīng)用刺激了具高調(diào)光比的HB LED背光源應(yīng)用，汽車(chē)內(nèi)部各種環(huán)境照明條件使得寬調(diào)光比范圍成為必需，而在HDTV應(yīng)用中，這也是產(chǎn)生彩色的最大動(dòng)態(tài)范圍所需要的。增長(zhǎng)速度最快的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)之一是平面HDTV。由于消費(fèi)者需要屏幕較大的HDTV和較高的分辨率，因此這種需求迅速地從等離子體HDTV轉(zhuǎn)移到了LED HDTV。

根據(jù)DisplaySearch預(yù)測(cè)，等離子體HDTV的銷(xiāo)售額于2008年達(dá)到顛峰(240億美元)，而液晶HDTV則在2008年實(shí)現(xiàn)750億美元的市場(chǎng)銷(xiāo)售額，并將在2010年以前增長(zhǎng)至930億美元。然而，液晶HDTV存在許多缺點(diǎn)，包括運(yùn)動(dòng)模糊和彩色再現(xiàn)性等，也就是說(shuō)，目前這一代液晶 HDTV無(wú)法獲得真正的「黑色」，而且提供了所有彩色的一個(gè)較低的動(dòng)態(tài)范圍。傳統(tǒng)HDTV采用CCFL作為背光源，而且僅能提供450～650cd/m2 的對(duì)比度比。這些HDTV的主要問(wèn)題是其不能完全關(guān)斷CCFL背光源或?qū)χM(jìn)行局部調(diào)光。

與此相反，當(dāng)采用HB LED背光源時(shí)，一個(gè)能夠以背光LED串進(jìn)行局部調(diào)光或關(guān)斷操作的LED陣列(對(duì)于46吋顯示器而言，LED的數(shù)目多達(dá)一千六百個(gè))幾乎提供了比CCFL 設(shè)計(jì)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的對(duì)比度比(>4,000cd/m2)。此外，透過(guò)調(diào)節(jié)背光LED串的亮度，還可以復(fù)制更多的中間色調(diào)，從而使得圖像更加生動(dòng)逼真。

能夠在局部位置將LED完全關(guān)斷的另一個(gè)好處是可減少運(yùn)動(dòng)模糊。通過(guò)在訊框與訊框間將LED完全關(guān)斷，由快速運(yùn)動(dòng)物體所引起的圖像模糊實(shí)際上將被消除。在解決CCFL背光液晶電視所常見(jiàn)的快速運(yùn)動(dòng)模糊問(wèn)題的過(guò)程中，LED的快速響應(yīng)速率是相當(dāng)重要的。

要想使LED背光HDTV成為可行方案，關(guān)鍵因素之一便是LED驅(qū)動(dòng)IC。由于每塊顯示屏包含如此之多的LED，因此LED驅(qū)動(dòng)器電路必須具有非常高的效率，否則顯示器將產(chǎn)生嚴(yán)重的熱問(wèn)題，并須采用體積龐大的散熱片，這與消費(fèi)者期盼平面HDTV外形更平、重量更輕的愿望背道而馳。此外，這些驅(qū)動(dòng)器 IC還必須能夠提供非常寬的調(diào)光比(高達(dá)5,000:1)以實(shí)現(xiàn)所需的寬對(duì)比度比。最后，整個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器解決方案必須非常精小，以造就大多數(shù)消費(fèi)者所要求非常扁薄的HDTV款式。

依據(jù)廠商降壓模式LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，其具有十六個(gè)單獨(dú)的信道，每個(gè)信道能夠從高達(dá)45伏特的輸入來(lái)驅(qū)動(dòng)由多達(dá)十個(gè)50毫安LED所組成的LED串。每個(gè)信道可被用來(lái)驅(qū)動(dòng)一串(十個(gè))LED以提供局部調(diào)光。其十六個(gè)通道均可進(jìn)行獨(dú)立控制，并且具有一個(gè)單獨(dú)的PWM輸入，該輸入能夠提供高達(dá) 5,000:1的PWM調(diào)光比。每個(gè)通道僅需要一個(gè)片式電感和一個(gè)甚至更小巧的陶瓷輸出電容。其它的必需組件僅為單個(gè)輸入電容和用于確定電流的設(shè)定電阻 (圖5)。具箝位二極管、電源開(kāi)關(guān)及具補(bǔ)償功能的控制邏輯電路所有十六個(gè)信道均被整合在較小的五十六接腳、5毫米×9毫米QFN封裝之產(chǎn)品中。這樣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)擁有92%的峰值效率(在2MHz開(kāi)關(guān)頻率條件下)，因而免除了增設(shè)外部散熱裝置的需要(圖6)。

圖5　一個(gè)從45伏特輸入來(lái)驅(qū)動(dòng)一百六十個(gè)白光LED的十六信道LED驅(qū)動(dòng)器示意圖。(PWM調(diào)光比為5000:1)

圖6　圖5所示的160-LED驅(qū)動(dòng)器的效率高于92%

圖7表示5,000:1PWM調(diào)光波形和一個(gè)外觀非常方正的LED電流波形。即使在導(dǎo)通時(shí)間僅為2微秒的情況下，一個(gè)20毫安LED電流仍然與100Hz的PWM訊號(hào)同步接通和關(guān)斷。降低PWM頻率可以實(shí)現(xiàn)較高的PWM調(diào)光比，但100Hz頻率能夠確保不出現(xiàn)可見(jiàn)閃爍。

圖7　圖5所示電路的5000:1 PWM調(diào)光波形

所有十六個(gè)通道的滿(mǎn)LED亮度均利用單個(gè)外部電阻器來(lái)設(shè)定。每個(gè)通道具有相同的編程LED電流--設(shè)定在10～50毫安之間。各通道之間的LED電流準(zhǔn)確度在8%以?xún)?nèi)。True Color PWM調(diào)光采用了一個(gè)減小的工作周期，目的在提供準(zhǔn)確的調(diào)光，而不使發(fā)射光的彩色發(fā)生任何偏移。固定頻率、電流模式控制方案在一個(gè)很寬輸入和輸出電壓及電流范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的操作。對(duì)流過(guò)用于每個(gè)通道的內(nèi)部檢測(cè)電阻和內(nèi)部開(kāi)關(guān)的LED電流的直接控制及用于每個(gè)信道的控制電路提供了適合LED驅(qū)動(dòng)的卓越恒定電流源調(diào)節(jié)性能。內(nèi)部100毫安電源開(kāi)關(guān)和五十六接腳QFN封裝的外露散熱墊提供了足以處理十六個(gè)通道的功耗和發(fā)熱量(在50毫安電流條件下)的電源管理和熱管理。

LED照明應(yīng)用在汽車(chē)和LCD HDTV中迅速普及，使得對(duì)高電流LED應(yīng)用中的LED驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)生了許多特殊的效能要求。在汽車(chē)中，這些應(yīng)用從前照燈到內(nèi)部照明等不一而足。在HDTV中，LED則提供了一種更精密的局部調(diào)光法，大幅改善了圖像質(zhì)量。

此外，在汽車(chē)和HDTV市場(chǎng)以外的眾多商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中，LED的應(yīng)用也非常普遍，它們同樣具有這些高性能大多數(shù)的要求。這些LED驅(qū)動(dòng)器還必須能夠提供定電流，以保持均勻的亮度，而不受輸入電壓或LED正向電壓變化的影響，且須實(shí)現(xiàn)高工作效率，且提供寬調(diào)光比。另外，這些應(yīng)用還需要接腳占位非常精小及散熱效率很高的解決方案。面對(duì)汽車(chē)、HDTV應(yīng)用及眾多其它LED設(shè)計(jì)要求，開(kāi)發(fā)高電流LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品系列實(shí)為重要課題。