面向HDTV應用的高亮度LED驅動器解決方案

　　目前，有關高亮度LED (發(fā)光二極管) 的市場分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)存在著巨大的差異。盡管預測存在分歧，但有一個趨勢是明確的，即：高亮度 (HB) LED市場將以一種驚人的速度迅猛成長。根據(jù)法國Yole Development公司所做的預測，所有LED的市場規(guī)模將在2012達到103億美元。在這當中，高亮度和超高亮度LED總共將占到約44.5億美元；幾乎是2007年7.83億美元市場規(guī)模的5.5倍 (基于封裝式LED)。

　　是什么支持了如此令人注目的成長潛力？首先，LED的發(fā)光效率是白熾燈泡的10倍，以及熒光燈的2倍，因此，當提供一個給定的光輸出量 (單位：流明)時，它所需的電能以及產生的熱量大幅度下降。隨著LED的進一步發(fā)展，它從電能產生光通量的效率將繼續(xù)升高。其次，當今世界非常重視環(huán)保，LED照明不需要操作、暴露和處置熒光燈泡中常見的有毒汞蒸汽。第三，白熾燈泡每1,000小時就需要更換，熒光燈泡的使用期限為10,000小時，而LED的壽命則長達100,000小時以上。在大多數(shù)應用中，這使得LED能夠被永久地嵌入在最終產品或系統(tǒng)中，而無需采用某種固定物。具體實例包括汽車中的車身面板或HDTV中的LCD顯示屏，因為它們在汽車或HDTV的使用期限內將永遠不需要更換。此外，LED的面積和高度要比同類替代方案小幾個數(shù)量級，而且可以制作成非常扁平的外形，因此能夠永久性地嵌入在汽車的內部和外部裝置以及扁平的消費類電子產品中。另外，通過采用一種紅光、綠光和藍光 LED配置，還可以提供無限多種彩色光。LED的調光和接通/關斷操作速度之快遠遠超過了人眼的分辨能力，因而在背面照明HDTV及其他類型的顯示器中實現(xiàn)了巨大的改善。如果沒有LED，高對比度比和高分辨率清晰型LCD HD TV將無法成為現(xiàn)實。

　　然而，照明系統(tǒng)設計師所面臨的最大挑戰(zhàn)之一是：如何優(yōu)化最新一代LED的所有優(yōu)勢？由于LED通常需要一個準確而高效的DC電流源以及一種調光方法，因此，必須設計LED驅動器IC，以在眾多應用中滿足這些要求。電源解決方案必須具備高效、功能堅固性、緊湊和成本效益性等特點。可以說，對于 LED驅動而言，汽車應用和大型HDTV LCD顯示器的背面照明應用是其所面臨諸多極苛刻應用當中的兩個。由于LED在汽車應用中所擁有的綜合優(yōu)勢，它們已經被各種汽車照明形式全面采用，從車前燈到儀表盤/導航裝置背面照明以及普通的車身內部/外部照明等一應俱全。傳統(tǒng)上一直由CCFL (冷陰極熒光燈) 來提供的LCD HDTV背面照明應用正在逐漸地被規(guī)模較大、能夠以單獨的LED串來調光的高亮度LED陣列所取代，從而實現(xiàn)了非常精準的局部調光。與采用CCFL背光源的傳統(tǒng)HDTV相比，這使得對比度比提高了一個數(shù)量級。如前文所述，由于具有局部調光能力和超快的響應時間，因此可以實現(xiàn)LED亮度的即時調節(jié)，從而消除了在CCFL背光照明HDTV固有的運動圖像模糊這一長期存在的棘手問題。

　　汽車LED照明

　　諸如小外形尺寸、低功耗和快速接通時間等優(yōu)勢開創(chuàng)了高亮度LED被當今汽車所廣泛采用的局面。LED在汽車中的初始應用是中央高架停車燈 (CHMSL)；這些應用使用紅光LED來提供一個非常扁薄的照明陣列，該照明陣列易于安裝，而且永遠不需要更換。

　　傳統(tǒng)上，白熾燈泡是最為經濟的光源，而且仍然被許多汽車所采用。然而，隨著可用照明空間的日益縮小以及對照明光源使用壽命要求的不斷提高，在許多應用中，由LED所提供的燈光色彩和精簡型設計方案正在迅速取代白熾燈泡。信息娛樂系統(tǒng)中的傳統(tǒng)CCFL-LCD背面照明被白光LED陣列所取代的現(xiàn)象正變得越來越普遍，后者提供了更加精準且可調的背面照明以及將輕松超越汽車壽命的使用期限。更有甚者，人們還在利用一種電“可操縱”型高電流LED陣列來開發(fā)車前燈 (見圖1)，而該領域一直是被鹵素/氙燈絲設計所把持的。幾乎所有的汽車照明應用 (包括車身內部/外部照明和背光照明應用) 都將逐步過渡為采用LED。在該環(huán)境中使用LED的好處具有諸多積極的含意。首先，它永遠不需要更換，因為其長達100,000小時以上的固態(tài)壽命 (服役年限：11年半) 比汽車的使用壽命還要長。這使得汽車制造商能夠把它們永久性地嵌入“車艙內”的照明系統(tǒng)中，而無需像以往那樣留有用于更換燈絲燈泡的入口。由于LED照明系統(tǒng)不需要白熾燈泡所要求的安裝深度或面積，因此還可使汽車的造型發(fā)生引人注目的顯著變化。

　　圖1示出了近期投產的Lexus LS600h LED車前燈。Audi (奧迪) 公司的R8和GM公司的Escalade擁有類似的選項。所有這些車輛的總體照明配置都是相似的。每個車前燈部件包含5種專為所有照明要求而優(yōu)化的LED 光束，這些光束包括：近光、遠光、彎道光、晝間行駛燈和轉向信號，它們全部都由LED來提供。標準光束一般將需要35W至50W的功率。聽起來好像并不太多，但請不要忘記：LED提供的光通量是鹵素燈的10倍，因此50W LED的光輸出與500W鹵素燈是相當?shù)摹＿h光所需的功率與標準光束相同或稍高，而彎道光、晝間行駛燈和轉向信號將需要較少的功率。這些光束均可利用單個 HB LED驅動器來驅動，這就是凌力爾特公司的LT3755。由于電能消耗有可能超過200W，可見采用發(fā)熱量極少的高效率LED驅動器是何等的重要。

　　圖1：HB LED Lexus LS600h車前燈/轉向信號/行駛燈

　　汽車LED照明的設計參數(shù)

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

　　大多數(shù)車前燈應用都需要大約50W的LED電流。凌力爾特的LT3755專為服務于此類應用而設計。它能夠把汽車總線電壓 (標稱值為12V) 提升至高達60V，以驅動多達14個串聯(lián)的1A LED。

　　圖2描繪了LT3755的效率 (可高達93%)。這一點極其重要，因為它免除了對任何功率元件進行散熱的需要，從而實現(xiàn)了非常緊湊的占板面積。雖然圖2中的電路是升壓模式拓撲結構，但 LT3755運用了獨特的高壓側電流檢測設計，因而使其還能夠根據(jù)應用的特殊要求而被配置成升壓、降壓模式、降壓-升壓模式或反激式拓撲結構。

　　圖2：LT3755電路的效率曲線

　　LT3755從一個內部調節(jié)7V電源來驅動一個低壓側外部N溝道MOSFET。固定頻率、電流模式架構在一個很寬的電源和輸出電壓范圍內實現(xiàn)了穩(wěn)定和精準的運作。LT3755提供了一個恒定電流源，LED驅動器IC要想在輸入電壓不穩(wěn)定的情況下實現(xiàn)恒定的LED亮度，這是必不可少的。在汽車應用中，這一點特別重要，原因是輸入電壓會由于在諸如“冷車發(fā)動”和“負載突降”等過程中遇到的瞬變而發(fā)生巨大的擺動。LT3755的最大輸入電壓為40V，這令其即使在主汽車總線承受40V瞬態(tài)電壓的情況下 (這在負載突降條件下是很常見的) 也能夠調節(jié)LED電流和電壓。

　　一個參考于地電位的電壓反饋引腳充當眾多LED保護功能電路 (例如：開路LED保護) 的輸入，并可使轉換器起一個恒定電壓源的作用。一個頻率調節(jié)引腳允許用戶在100kHz至1MHz的范圍內進行頻率設置，以優(yōu)化效率和性能，同時最大限度地縮減外部元件尺寸。如果需要進行外部同步，則可使LT3755-1版本在其整個100kHz至1MHz的頻率范圍內同步至一個外部時鐘。

　　LT3755的True ColorTM PWM調光功能實現(xiàn)了高達3000:1的調光比，而發(fā)射光的色彩無變化 (見圖3)，從而使得能夠利用PWM的占空比來對LED車前燈進行經常性的調節(jié)，以適應各種環(huán)境條件。由于凌力爾特的高電流LED驅動器是電流模式穩(wěn)壓器，因此它們并非直接調節(jié)電源開關的占空比，而是由反饋環(huán)路負責在每個周期中控制開關中的峰值電流。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路動態(tài)特性，并提供了逐周期電流限制。

　　圖3：True Color PWM調光

　　HDTV背面照明

　　雖然看似并無關聯(lián)，但汽車中的信息娛樂和導航顯示器的LED背面照明卻刺激了具高調光比的HB LED背光源的應用，汽車內部各種各樣的環(huán)境照明條件使得寬調光比范圍成為必需，而在HDTV應用中，這也是產生彩色的最大動態(tài)范圍所需要的。

　　成長速度最快的消費類電子產品市場之一是平板HDTV。由于消費者需要屏幕較大的HDTV和較高的分辨率，因此這種需求