升壓式高亮度LED背光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

 隨著消費(fèi)者對于色彩的要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，LED可以達(dá)到超過100％的NTSC色譜，由于LED可以提高面板色彩的表現(xiàn)能力，并且加上沒有太大的環(huán)保問題。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，這簡化了LED電流的偵測（不像降壓電路必須選擇上側(cè)FET驅(qū)動(dòng)電路或上測電流偵測。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)控制升壓電路開與關(guān)，以達(dá)到PWM調(diào)光控制，就表示輸出電流會被每一個(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)間會拉大。 7. 峰電流控制方式的升壓電路，用以控制LED電流是無法達(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，控制電路無法避免輸出電流的增加，即使關(guān)掉 Q1 FET仍對輸出短路毫無影響，并且輸入端電壓的瞬變造成輸入端電壓的增加量大于LED串聯(lián)電壓時(shí)過大的涌浪電流可能會造成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2b DCM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)輸出短路或過電壓時(shí)，便會自動(dòng)斷開LED串之對地路徑。此功能縮短了控制電路的反應(yīng)時(shí)間（請參考PWM調(diào)光電路說明）。

 ■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9∼250V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)光信號所控制，當(dāng)PWM調(diào)光信號為High時(shí)放大器的輸端連接至補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)PWM調(diào)光信號為Low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。 圖5 Feedback Compensation FAULT信號保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路 FAULT信號pin可用于驅(qū)動(dòng)外部斷接FET（圖6）IC啟動(dòng)時(shí)，F(xiàn)AULT信號維持Low電位，IC啟動(dòng)過后，此pin被pulled high，這使得內(nèi)電路的LED與升壓電路連接，電路完成啟動(dòng)點(diǎn)亮LED，假如輸出端有過電壓或短路情形發(fā)生，內(nèi)部電路會將FAULT信號拉Low并使LED與升壓電路斷接。 FAULT信號也控于PWM調(diào)光控制信號，PWM調(diào)光信號為Low時(shí)，F(xiàn)AULT信號亦為Low，但當(dāng)PWM調(diào)光信號為High時(shí)，F(xiàn)AULT信號卻不見得為High。 斷接LED時(shí)，可確保輸出電容不會隨著PWM調(diào)光信號的周期而充放電。 PWM調(diào)光信號到FAULT信號與保護(hù)電路的輸出以AND連接著，以確保保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)能夠覆蓋過PWM及調(diào)光控制的輸入。

 6 Disconnect FET 輸出短路保護(hù)的動(dòng)作原理是當(dāng)輸出偵測電流（于FDBK pin），大于2倍參考電流設(shè)定位準(zhǔn)（于IREF pin），保護(hù)動(dòng)作會發(fā)生。過電壓保護(hù)的動(dòng)作原理，是當(dāng)OVP pin的電壓大于1.25V時(shí)，保護(hù)動(dòng)作也會發(fā)生。二個(gè)信號被送至一個(gè)OR閘再送到保護(hù)栓鎖電路。當(dāng)有任一保護(hù)動(dòng)作發(fā)生時(shí)，栓鎖電路會將GATE及FAULT pins同時(shí)關(guān)掉。一旦有保護(hù)動(dòng)作發(fā)生時(shí)，必須將電源關(guān)掉重開，才能使栓鎖電路恢復(fù)重置。 

 而在IC的啟動(dòng)需要注意以下兩點(diǎn)： 

 ● 當(dāng)VDD與PWMD pins連接在一起，透過電路上的輸入電壓的連接或斷接來啟動(dòng)時(shí)， IREF pin所連接的電容必須使用0.1uF，而V00 pin上所連接的電容值需小于1uF以確保適當(dāng)?shù)膯?dòng)。 

 ● 假使電路使用外部信號啟動(dòng)或關(guān)閉，而輸入電壓一直保持常開啟時(shí)，則IREF及VDD所使用的電容值可增加。 線性調(diào)光能力 調(diào)整IREF pin的電壓位準(zhǔn)可達(dá)到達(dá)成輸出電流的線性調(diào)整，方法為以可變電阻或分壓電阻網(wǎng)絡(luò)或外部提供參考電壓連接至IREF pin。但是，要注意一旦IREF的電壓低到非常小時(shí)，IC的短路電流保護(hù)比較器的誤差電壓（OFFSET）可能會造成短路保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作，這時(shí)候必須將IC電源關(guān)掉重開，重新啟動(dòng)電路，為了避免此誤動(dòng)作，IREF的最低電壓為20∼30mV。 PWM調(diào)光（脈寬調(diào)變調(diào)光）能力 HV9910內(nèi)部的PWM調(diào)光功能卻能夠達(dá)到非?？焖俚腜WM調(diào)光反應(yīng)，克服了傳統(tǒng)升壓電路不能非?？焖俚腜WM調(diào)光的缺點(diǎn)。 

 PWMD控制IC內(nèi)部三個(gè)點(diǎn)： 

 ● GATE信號到開關(guān)FET 

 ● FAULT信號到斷接FET 

 ● 運(yùn)算放大器到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出端 當(dāng)PWMD信號為High時(shí)，GATE信號與FAULT可以動(dòng)作，同時(shí)運(yùn)算放大器的輸出端連接到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，這使得升壓電路可以正常動(dòng)作。 當(dāng)PWMD信號為Low時(shí)，GATE信號與FAULT被停止動(dòng)作，能量無法從輸入端轉(zhuǎn)移到輸出端，但是，為避免輸出電容放電到LED而造成LED電流下降時(shí)間被拉長。 這個(gè)放電電容同時(shí)也會使得電路重新連接動(dòng)作時(shí)，LED電流的上升時(shí)間會被拉長。因此，避免輸出電容的放電是相當(dāng)重要的。IC輸出FAULT信號斷接FET，使得LED的電流幾乎立刻的下降到零電流，因此輸出電容并沒有被放電，所以當(dāng)PWMD信號回復(fù)High位準(zhǔn)時(shí)輸出電容不需要額外的充電電流，這使得上升時(shí)間非?？焖佟?nbsp;當(dāng)PWMD信號為Low時(shí)，輸出電流降至零，這使得回授放大器看到了相當(dāng)大的誤差信號于放大器輸入端，會造成補(bǔ)償回路的電容器上的電壓會上升至最高電位。因此當(dāng)PWMD信號回到High時(shí)，過高的補(bǔ)償回路電壓會控制電感峰值電流，而造成相當(dāng)大的輸出涌浪電流發(fā)生在LED上。 這樣大的LED電流又隨著控制回路速度而回授，這會使得穩(wěn)定時(shí)間被延長，當(dāng)PWMD信號為Low時(shí)，斷開運(yùn)算放大器與補(bǔ)償回路是有助于維持補(bǔ)償回路的電壓不被改變。因此當(dāng)PWMD信號回復(fù)High時(shí)，電路立刻回復(fù)穩(wěn)態(tài)而不會產(chǎn)生過大的LED電流。