大功率背光源用LED驅(qū)動電路的研究現(xiàn)狀與進展

圖4IR2540應(yīng)用電路。

IR2540的工作原理為：當(dāng)IR2540的HO引腳輸出高電平時，Q1導(dǎo)通，負載從電源吸收電流，并在輸出電感L2和輸出電容COUT上儲存能量，同時IR2540第三引腳上的反饋電壓VIFB逐漸增加，當(dāng)VIFB高于0。5V時，控制環(huán)在延遲一段時間后關(guān)斷HO端的輸出。HO關(guān)斷后，LO將在經(jīng)過死區(qū)時間后開通，電感L2和輸出電容COUT向負載釋放儲存的能量。VIFB開始下降，當(dāng)VIFB低于0。5V時，控制環(huán)在延遲一段時間后，HO引腳輸出高電平，LO關(guān)斷。從而達到穩(wěn)定平均電流的目的。ENN引腳為禁用輸出，起開路保護和調(diào)光的作用，當(dāng)輸入該引腳的電壓超過2。5V時，IRS2540處于禁用狀態(tài)。當(dāng)需要調(diào)光時，將一個固定頻率、變占空比的信號加到ENN引腳上，平均負載電流與占空比有直接線性關(guān)系。如果占空比是50%，可以實現(xiàn)最大50%的輸出；如果占空比是30%，可以實現(xiàn)最大70%的輸出。

與峰值電流控制型LED驅(qū)動芯片不同，IR2540的頻率自由運行并可以通過快速響應(yīng)輸入和輸出電壓的變化維持電流調(diào)節(jié)，該芯片不需要外部器件來設(shè)置頻率，頻率是由輸出電感L2和輸出電容COUT以及輸入輸出電壓和負載電流決定。圖5和圖6分別是負載6只LED和12只LED時IRS2540的工作波形，圖中的4個波形由上到下分別為LED的電壓波形、輸入電壓波形、LED的電流波形、LO引腳的電壓波形。這種電路的缺點表現(xiàn)在其效率較低，并且輸出電流和效率隨負載的變化較大。表1為IR2540應(yīng)用電路在不同負載情況下的測試結(jié)果。由表1可見，當(dāng)負載為10只LED時，電路的效率只有68。2%，與峰值電流控制型LED驅(qū)動電路90%以上的效率還有一定的差距。

圖5IR2540驅(qū)動6個LED的波形。

圖6IR2540驅(qū)動12個LED的波形。

表1IR2540應(yīng)用電路在不同負載下的效率。

4單級單開關(guān)型LED驅(qū)動電路

在大屏幕液晶電視和液晶顯示器中，背光源耗電量所占的比重是最大的，如果LED驅(qū)動電路采用直流供電，就要求液晶電視和液晶顯示器內(nèi)功率因數(shù)校正（PFC）電路和開關(guān)電源的輸出功率足夠大，導(dǎo)致成本增加。單級單開關(guān)型LED驅(qū)動電路直接采用220V市電，不需要開關(guān)電源，而且電路簡單、成本也比較低，應(yīng)用單級單開關(guān)型LED驅(qū)動電路可以顯著降低液晶電視和液晶顯示器的成本。

美國超科公司推出的HV9931是一種具有有源功率因數(shù)校正功能的單級單開關(guān)非隔離型LED驅(qū)動電路控制芯片，采用該芯片的LED驅(qū)動電路無需變壓器。圖7是基于HV9931的單級單開關(guān)型LED驅(qū)動電路，輸出功率為18W，效率可達78%。由圖7可見，采用HV9931的LED驅(qū)動電路具有電路簡單、成本低的優(yōu)點。圖7中，L1、C3、D5、D6組成輸入Buck？？boost級，它與L2、D7、D8組成的輸出Buck級相級連，兩個變換器共用一個功率管Q1，輸入Buck？？boost工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM），輸出級則工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM），電路降壓比為兩個變換器降壓比的乘積。這樣，不用變壓器就可獲得高降壓比。

HV9931的工作原理為：當(dāng)Q1導(dǎo)通時，Ll中的電流線性增加，同時，電容C3為輸出Buck級供電，流過L2的電流也線性增加。iL1的電流通路為：D5→L1→Q1→R6;iL2的電流路徑為：C3正端→Ql→R7→LED→L2→D7→C3負端。當(dāng)Q1關(guān)斷時，D6正向偏置，輸入電感電流iL1轉(zhuǎn)入到C3，電流流向為：D5→Ll→C3→D6;同時，流過L2的電流流過D8，iL2流向為：L2→D8→R7→LED。Ll中的電流線性下降，只要降為零，D6則反向偏置，阻止iL1流動。在Q1再次導(dǎo)通之前，iL1=0的時間為Ll的死區(qū)時間，此時，iL2繼續(xù)流動，直到新的開關(guān)周期開始，Q1導(dǎo)通。在AC線路周期之內(nèi)，可以認為開關(guān)占空比D和開關(guān)頻率fs不變，于是，L1的峰值電流iL1（pk）和平均輸入電流直接與輸入電壓成正比：

式中：Iin為輸入電流，Vin為輸入電壓，Reff為有效輸入電阻。

L1中的峰值電流iL1（pk）正比于輸入電壓，平均輸入電流呈正弦波形。因此可獲得單位功率因數(shù)和低輸入電流諧波失真。圖8是輸入電壓和電流波形。

圖8輸入電壓和電流波形

HV9931的PWMD引腳連接到VDD，HV9931正常工作。若PWMD引腳接地或開路，則HV9931停止工作。若在PWMD引腳施加一個TTL兼容方波信號，則可以獲得PWM調(diào)光。在額定輸出電流下，當(dāng)PWM占空比為5%時，LED的亮度降低50%。PWM頻率應(yīng)高于100Hz，以使人眼看不到頻閃。通過施加5%的LED電流，采用模擬（線性）調(diào)光，也可獲得50%的亮度。

單級單開關(guān)型LED驅(qū)動電路是目前的研究熱點，但是還存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下5個方面：

（1）輸出功率較小，目前只在中小功率場合獲得了一定的應(yīng)用；（2）為了實現(xiàn)自動輸入電流整形，輸入PFC電感需工作在恒占空比的DCM模式，且PFC級和DC/DC級共用一個開關(guān)管，因此開關(guān)管的電流應(yīng)力大；（3）輸入PFC電感需工作在恒占空比的DCM模式，整流輸入端的高頻電流紋波大，需要的EMI濾波器體積大；（4）為了提高功率轉(zhuǎn)換效率，DC/DC級一般都工作在CCM狀態(tài)，高輸入電壓和輕載時，由于輸入能量和輸出能量瞬間不平衡而導(dǎo)致儲能電容電壓應(yīng)力過高；（5）功率轉(zhuǎn)換效率較低。

為了改善單級單開關(guān)型LED驅(qū)動電路的上述不足，國內(nèi)外的學(xué)者提出和嘗試了多種方法和電路拓撲：

（1）采用輸入PFC電感交錯并聯(lián)、輸入PFC電感工作在CCM模式等方法減少輸入電流紋波；（2）采用DC/DC級工作在DCM模式、變頻控制、母線電壓反饋、串聯(lián)充電并聯(lián)放電拓撲等方法減少儲能電容電壓應(yīng)力；（3）采用軟開關(guān)、直接功率轉(zhuǎn)換等方法提高功率轉(zhuǎn)換效率。