驱动中型LED背光系统的集成方案

时间：2008-11-01 02:09:00

关键字： LED背光集成 LM LED灯

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LCD背光的质量影响着图像的稳定性、光度和颜色，因此可说是高档显示器中最重要的组件之一。在现今的背光照明设计中，LED正迅速取代CCFL技术。原因是LED对电压的要求较低、而且简单易用，调光能力强，不含水银而且效率更高。随着LED在光度和成本方面的不断改进，它们逐渐应用于较大型的LCD显示器中。5英寸到15英寸的显示器需要的不单是三个或四个的LED，而是动辄20个以上的LED阵列。

然而，驱动这么大的LED背光系统需要面对一系列的新挑战。这些挑战包括：为了维持均匀的亮度、色温和较高的对比度，需要更精确的电流匹配；此外，还要减少功耗，以免影响效率、尺寸和整体的热敏性能。当LED的电流被提升到数百毫安，并且要用较大的功率和流入电流源去驱动时，上述挑战就显得格外重要了。

大型LED背光系统要求的不单是一个恒流LED驱动器，而且需要一个集成背光控制器才能发挥出现今LED技术的潜能，以满足LED显示器的品质要求。

典型的背光应用
虽然有些LED(例如一般照明应用)可能只简单地用一个配备有电流整定串联电阻的稳压电压源来驱动，但事实上LED最好还是采用一个恒定电流源来驱动比较好。LED的亮度是电流而非电压的一个函数，而且每个LED的电流在同一正向电压(Vf)下都可能有明显的差别。为了使LED呈现出最好的亮度和色彩，所有LED必须用相同大小的电流来驱动，而无须理会其Vf。最理想的情况是所有在背光系统上的LED都可排列成一行，这样它们的电流便会一样，从而省略电流匹配的麻烦。可是，大部份的背光系统都需要超过30个的LED，以典型Vf 为3.5V的LED为例，便可能需动用100V升压转换器来驱动。此外，LED经常会发生故障，假如灯串中有任何一个LED发生故障，那整个显示器便会熄灭。

因此，更实际的做法是将LED并排成两串。这样所需的升压便可较低，而且就算是一个LED出现故障都不会影响到整个灯串。不过，假如一次需要驱动多个并排的LED灯串时，那必须确保每串上的LED都享有相同的正向电流(行到行的电流匹配性)。此外，每一条并排通道都会在电流调节器内产生相关的功耗损耗，换句话说，并排的灯串数量愈多，那效率便会愈低而且整体的尺寸也会愈大。

最稳妥方法是驱动最少量的并排LED灯串，在每一条灯串上的连接升压转换器所能承载的最多的LED灯。每个灯串上能连接的LED数量取决于升压转换器的最大启动时间和电压限制。

需要注意的是大部份的背光驱动器都包含有独立的升压转换器和电流调节器。正如图1所示，驱动器被安排来驱动数个并排的LED灯串。

图1 典型的LED背光驱动器

电路中的升压级产生的电压将LED灯串正向偏置，同时电流调节器确保流经每个LED灯串的电流都是稳定和相同。

我们现在讨论的这种背光系一般都需要20～40V的电压，具体的电压值取决于LED的数量和类型。例如，大部份的系统都是用一个12V电轨的电源来供电，并且在150mA下驱动24个LED。这样的系统会被安排成并排三行每行八个的LED串，而标称的正向电压为28V。这要求对于现今大部份的升压转换器来说都应付有余。

正向电压的调节

对于”升压加电流调节器”这个结合方案来说，有两个主要的因素可影响其效能，这便是效率和可产生噪声的拓扑。我们先考虑效率的问题。不管LED灯串的正向电压如何，升压转换器必须能提供一个够高的电压才能将所有的LED灯串正向偏置。一个典型的白光LED在150mA下的Vf会处于±0.3V范围内。因此，由八个LED组成的灯串的正向电压可能有4.8V的差异。为了确保每个并行的灯串都有足够的正向电压来驱动，升压转换器必须能发送出最大的电压。可是，将电压提升到最高的水平会降低效率，原因在于它会从LED灯串底部的电流控制器耗散更多的功率。我们继续结合图1的应用来说明这个问题。用150mA驱动三行每行八个的LED灯串所需的VA电压(升压输出)为3.8V×8+1V=31.4V。其中，假设最大Vf为3.8V，并且还需要1V来避免电流调节器到达饱和。假如LED在典型的3.5V Vf下运行，电流调节器内的功率损耗便等于3个灯串×(31.4V-28V)×0.15A= 1.53W。因此，真正供给LED的电力只有0.15A×28V×3=12.6W。比较之下，系统仅在电流调节器上便损失了12%的效率。

LM3431作为一个背光照明系统专用的驱动器，内部同时集成有升压和恒流调节功能，因此不会出现上述因电流调节而产生的效率下降问题。图2为一个简化了的背光驱动器电路。

图2 LM3431 LED背光驱动器

LM3431的升压转换器是用来调节电流调节器的电压VC，而不是调节LED灯串的顶部。在这个方案中，升压转换器只需发送LED灯串所需的电压，就可减低在电流调节器内的功率耗散。与此同时，LED的阳极电压(VA)会随着LED灯串的Vf而变化，所以必须进行调节才能为每一个灯串提供足够的正向电压。

虽然，系统可能拥有数个LED灯串，但却只有一个电压反馈节点。LM3431被设计成每一个LED灯串都经二极管连接到阴极反馈引脚(没有在图2中表示出来)。因此，可在最低的节点处监视阴极电压。这样，不管Vf如何变化都可确保所有灯串均有足够的净空，
在设计当中，电流调节器必须够大才能在印刷电路板上提供足够的铜散热面积。因此，图1电路的拓扑便需要更多的空间来为电流调节器散热。LED本身的散热设计就很有挑战性，现在再加上从驱动器散热问题，真可谓雪上加霜。由于LM3431需驱动外部晶体管来调节LED的电流，故封装的尺寸完全可根据应用所要求的功率水平来调节。图1中的应用在典型条件下每通道功率损耗为0.15W，如果我们假设最高的环境温度为80℃，而NPN管的最高工作温度为150℃，那我们便可计算出NPN的最高热电阻为137℃/W。一个典型的SOT-89 NPN器件的热电阻为104℃/W，这可说是一个合理的选择(虽然有点热)。然而， LM3431在典型条件下的每通道功率损耗为0.18W，所需的最大热电阻为389℃/W，因此可选用SOT-23封装。比较两种封装的面积，前者为 4.5mm×4mm，而后者仅为2.9mm×2.3mm。

高对比度PWM调光

PWM调光是控制LED亮度的最优方法。其原理是LED的正向电流会在一个固定的电平处出现脉冲，可以通过调节该脉冲的工作周期以控制亮度。这个方法不仅可提供一个稳定的色温，而且还可在整个LED亮度级范围内提供可预知的Vf。然而，100MHz是最低的可用调光频率，否则便会出现肉眼可见的闪烁。LM3431可接受介乎25kHz～ 100MHz之间的任何一个频率的调光信号，最低的启动时间为400ns。

现今有不少像CCFL的背光技术都是采用一个模拟电平电压信号来控制亮度。为了与这些调光系统兼容，LM3431内置有一个PWM调制器，它可以接受一个电压电平输入并能将它转换成一个PWM信号，并通过外部的电容器编程来调节PWM调光频率。在这种模式下，PWM工作周期便可在250mV～2.5V的范围内随着电压线性地增加。配合这个方法，现行采用CCFL类电压调光信号的电路便可与LM3431一起使用，并依照建议的方式来为LED调节光度。

在PWM调光期间，电路会出现高压摆率的负载瞬态，并且随后在VA和VC的节点处出现一个瞬态电压响应。在这里有些人可会认为现在的设计重点是LED电流而并非电压瞬态，只要瞬态下冲不低至使电流调节器饱和，那便不会出现问题。可惜这个看法是错的。首先，要确保没有饱和即意味需要更多的净空和进一步加大功率的损耗。其次，PWM调光频率一般介乎100～500Hz，有时可能高达1kHz，这些都处于耳朵可听到的频率范围内。在这种频率下的负载瞬态常会出现一种副作用，即从陶瓷电容器中发出可听噪声。流经电容器的电压变化会产生物理上的膨胀和收缩效果，这效果可以大到产生出人耳可听见的“吱吱”声响。为了消除这个可听见的噪声，需要对一个典型升压转换器的输出额外加上输出电容。虽然，这样做可获得一个非常稳定的输出电压，但却降低了功率和增大了电路板体积。

LM3431将PWM调光功能与升压转换器结合，可以解决这个调光问题。在每一个PWM调光信号的边缘，都会在升压控制环路中加插一个电压降。这作法会使COMP引脚的电压改变(错误放大器输出)并使得升压转换器可将VA电压推高至负载瞬态预期的电平。

图3 LM3431在调光期间的VA和VC电压

图4 “升压加电流调节器”的结果

这种系统可视为前馈，由于负载信息在瞬态发生前已被送到升压控制环路，因此控制环路便可对LED的电流变化做出即时的反应。然而，所施加的前馈大小可由用户调节，电压步级可以根据系统的环路响应和每个应用的负载要求而进行微调。经过上述的处理后，LM3431的集成调光系统的瞬态响应便大大得到改善，在一般情况下只需动用单一个陶瓷输出电容器便可。图3及图4分别表示出LM3431和图1“升压加电流调节器”方案的瞬态性能。两者都同样使用了一个陶瓷输出电容器。图4产生出很明显的可听噪声，并且需要额外加上1V来增加VA以避免在瞬态期间使NPN饱和。

在LED电流和PWM调光信号的下降边缘会出现一个卸载瞬态，对于任何的开关稳压器来说，这种卸载瞬态都比负载瞬态更难以控制，但LM3431在这方面却应付自如。

首先，相同的前馈信号会以相反的方向施加给控制环路。因此升压转换器便可预知卸载瞬态的发生，并且在LED熄灭时维持一个固定的VA电压。在PWM调光的LED熄灭期间，VC节点(一般是提供电压反馈给升压转换器)没有被调节，仅仅是一个开路。这个节点实际上不会一路上升到VA，然而它并不是反馈的有效节点。为了让VC反馈系统产生作用，要加上第二个反馈环路。但第二反馈环路只是在LED熄灭时才会运行。在LED点亮期间，LM3431通过VA反馈节点为输出电压取样，而这个抽取回来的电压会被保留在外部的“样品”电容器并作为LED熄灭期间的参考电压。当有PWM信号令LED熄灭时，升压转换器会将输出电压维持在先前于LED点亮期间所抽取样品的电平。随着LED的Vf改变，取样点亦会改变，同时VA电压会按每一个PWM周期的要求而变化。这种取样/保留系统可稳定输出电压，并且在减少引致可听噪声的瞬态电压步级的同时为输出电压提供良好的调节。我们可看见图3中的VA波形在LED亮着和熄灭周期之间的位移少于100 mV。图5所示为这种系统的基本元素，当中包含有两条电压反馈路径、一个参考电压和取样电容器，以及一个前馈控制和LED电流控制器。

图5 双模式反馈系统的框图

前馈控制的一个显著优点是可提高对比度。由于在VA节点的瞬态下冲已减到最小，即使调光的周期很短都可准确地为电压取样。结果，就是在较低的调光频率下，系统可轻易地达到1000:1的对比度。图6所见为在调光期间的典型VA和LED电流波形。在对比度1000:1下的LED开动时间没有出现性能下降，而且我们还可看到快速的上升时间、最小的电流下冲和的完全受控的VA电压。

图6 高对比度的调光

灵活的高速电流控制器
LM3431 LED电流控制器包含有三个带有外部参考电压设定的2MHz带宽运算放大器。这三个内部电流控制器每一个都连接到同一个的参考电压(图5所至为一个经简化的电路)。该三个运算放大器会按照PWM调光信号开动和关闭，并且能够驱动超过10V/μs的压摆率。根据选用的NPN，LED电流压摆率甚至可超过1A/μs。为了增加灵活性，驱动器还能够以一个高至6V的栅极驱动电压来驱动N沟道的FET。

LM3431能够驱动大部份灯串电流在20～500mA的背光照明系统，运算放大器的参考电压(非反向输入)可用一个连接有可用参考电压的分阻器来调节。其可在工作温度范围内达到±2%的精确度。运算放大器的参考以一个输入引脚的形式提供，所以假如要求更高的精度，便可使用外部的精密参考。再一次强调，这方法的灵活性极高，因为它可根据不同的应用而进行优化，从而获得最优的效率、精度和LED电流电平。此外，三条通道之间的偏置被严格地控制，以保证每个LED灯串之间的电流能配合得准确无误。

对于PWM调光性能的高低，另一个量度标准便是调光的线性度，亦即是平均的LED电流与DIM信号输入的匹配性。这很大程度上与驱动器相关，但也会受到NPN速度和升压转换器响应的影响。