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利用电感型转换器提高LED转换效率

高工
2015-11-21 22:37:41    评分
近年来,LED行业发展迅猛,已普遍的应用在各个行业。LED的优势也渐渐显露,而LED在手机的LCD背光中的广泛应用也有若干年了。如今其应用正扩展到大面积的LCD应用,包括袖珍PC、汽车导航GPS、数字相框、可携式DVD乃至笔记型计算机。LED也正开始取代家用的、汽车和其它通用光源的传统白炽灯和卤素光源。这一趋势背后的驱动力是技术的快速进步,包括LED更亮,效率更高,价格更具竞争能力。实际上使用LED的理由很简单,就是它们具有高可靠性和更长的寿命,在不需要更换的地方为终端用户提供免维护的产品。
为了在LCD应用中提供均匀的背光,几个白色LED通常沿着LCD的一个边安装。LED的数量正比于LCD的尺寸。对于中等尺寸(7-10英寸),通常共使用20-40个LED.这些LED通常被连接成平行的3个或更多的LED串。为了减少连接点,许多LCD只提供一个2端接口。这里,所有的LED串必须在内部平行连接,然后连接到一个单电源上。
驱动类型
为了在中等LCD尺寸的应用中获得所期望的亮度,要求驱动器在所有的工作条件下能够为LED提供一个可调整的电流。通常,采用两种LED驱动技术:即容性电荷泵和基于电感的交换式稳压器。本文将集中讨论能够为LED提供1-6W功率的电感式转换器LED驱动电路。
电荷泵型LED驱动如今在手机和其它小尺寸的LCD背光应用中普遍使用,原因在于它们的高亮度、低成本和实现容易。电荷泵所需要的外部零组件只有3只或4只电容,且没有电感。不过,其输出功率有限。
虽然一些大功率快闪型LED电荷泵能够提供高达2W的功率,其输出电压最大只能到6V,因此无法驱动2只以上串联的LED.电荷泵中的通道数量(通常为6个)决定了LED的数量。由于更多的通道意味着需要更多的接脚和更大的封装,因此电荷泵限制了在中等尺寸面板中的应用。
LED正向电压(VF),LED电流以及电源电压范围的不同组合,决定了所需的电感型转换LED驱动器的类型,LED VF随着电流、温度和LED型号的不同而变化。出现在最低温度时的最大VF是选择LED驱动电路结构的关键参数,通常是在线性结构、降压或升压结构中进行选择。本文中假定最大VF为3.8V.
当选择LED驱动IC时,关键参数包括开关电流极限、最大输出电压,以及需要保护开路LED条件所需的过压保护阈值等。像电感和电容这类外部零组件也需要仔细选择。
应用实例
以8英寸的LCD模块为例,包括总共9串(每串3只)白色LED组成的背光(图1)。LED串的总电压(LED的VF为3.3V)通常为10V(3×3.3V)。每只LED的电流为20mA,则总驱动电流为180mA(9×20),LED总功耗为1.8W.用一个AC电源配接器提供一个5V电源。一个基于电感的LED驱动器非常适用于该应用。

图1:8英吋LCD模块背光电路。
首先计算处理2W的负载需要多大的开关电流。假定效率为80%,输入电流等于Vout×Iout/Vin×效率=10×0.18/5×0.8=450mA.CAT4139电感型升压LED驱动器具有750mA(最小值)的驱动能力,故很适合于该应用。
电感的电流额定值应该能够处理LED驱动峰值开关电流且不进入饱和。一旦出现饱和,就会出现电流突波,因为此时电感的功能便成了一只电阻,电路不再按照预期工作。合适的电感额定电流应该大于等于80mA.
工作期间LED的最大输出电压应该低于额定最大输出电压。由于3只LED串联,在冷温下,总正向电压可能高达11.4V(3×3.8V)。24V的开路LED检测阈值远高于其极限值。如果LED断开,输出电压将会上升并保持在30V,此时组件处于低功率模式,从电源吸纳的电流仅有几毫安。30V额定输出电压的电容是合适的。
现在考虑由12V电源供电的一只6W LED灯。可以用6只高亮度白色LED串联连接来实现,用一个300mA的固定电流来驱动,典型的正向电压为3.3V.
LED串的电压通常为20V,在冷温将会增加到23V(6×3.8V)。该电压对于CAT4139这类组件过高。需要利用向CAT4240这类具有更高电压的升压型LED驱动器来驱动负载。CAT4240升压LED驱动器的过压检测阈值为40V,适用于串联灯数高达10只的LED串。
选用降压型开关电源
当电源电压高于总LED正向电压时,可以选用一个线性电流源或者开关降压稳压器来为LED提供恒流。不过线性电流源有一个缺陷,即耗散在稳压器中的功耗正比于电源到负载的电压差。开关电源的效率较高,能够避免任何较大的热量耗散在IC上,且工作温度接近或者略为高于环境温度。
图2说明了如何利用CAT4201从一个24V电源来驱动5只1W的LED.LED电流由外部电阻R1来设定。CAT4201降压LED驱动器利用两阶段开关作业来提供精确的平均电流。在第一阶段,位于内部的CAT4201 FET开关将SW端连接到地,使电流上升并对电感充电。

图2:使用CAT4201驱动5个1W的LED。
电感两端的电压基本上等于24V减去LED的压降。一旦电流达到预定的峰值,内部开关就切断,而电流则继续流过萧特基二极管,直到电感放电为止。
当电感的电流降到0时,将重复上述过程,因而电感电流的波形为三角形。本例中,开关频率约为260kHz.LED两端的电容C2将LED的电流突波减到最小。采用大电容会将突波减到更小。本例中的总转换器效率(LED功率除以来自VBAT的功率)可达94%.
在调节过程中LED电流保持完好,只要VBAT高于总VF+3V.低于该电平时,LED电流将线性降低。针对特定应用,必须选配合适的交换式稳压器和外部零组件。交换式稳压器的高效率使得在电源管理电路中的热耗散不再是一个问题,而用户得到的好处则是节省了能源。
线性电流稳压器IC能够提供固有的低噪声性能(没有开关),但由于封装温度的限制,只适用于小电流应用。当用来驱动中规模尺寸的面板和通用照明应用时,电感型转换器LED驱动器是可选的解决方案,可以实现良好控制的LED和最佳的总发光效率。选择合适的电感型转换器有助提升效率,而实际上是升压或是降压,则取决于应用的电源和LED的配置结构。
目前,在国内LED行业发展情景依旧是可观的,相信在不远的将来,LED必将在各个行业发光发亮。



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