LED之前世今生及其驅(qū)動概述

　　由于電視臺的節(jié)目安排都是老電影，因此必需要有一個人工操作員。因為好萊塢導(dǎo)演喜歡采用各種對比度的膠片以藝術(shù)方式為拍攝現(xiàn)場提供照明(這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了舊的RS-170視頻的處理能力)，因此這樣就使得電視攝像操作變得比較復(fù)雜。我第一天的工作就是消除它們的藝術(shù)效果。

　　這是一種似曾相識的經(jīng)歷，四十年后，我在NXP的會議室里觀看一些IC驅(qū)動日立高清電視機(jī)上的LED背光，以便在信號鏈的顯示端進(jìn)行一些處理，這與我曾經(jīng)在攝像機(jī)端做過的操作類似，不過這種操作并沒有怎么冒犯電影導(dǎo)演的初衷。

　　動態(tài)背光的一個重要考慮因素是粒度。每個背光LED都可以照亮相當(dāng)多的像素，因此光強(qiáng)度的變化必須逐漸擴(kuò)展到LED的各個行和列。即使是這樣，這也比我以前通過增益和設(shè)置控制達(dá)到的效果要好。

　　可控硅調(diào)光

　　脈寬調(diào)制(PWM)可以控制LED光輸出。為了實現(xiàn)動態(tài)背光，驅(qū)動器需要高帶寬控制通道。許多創(chuàng)新都源于為順應(yīng)傳統(tǒng)可控硅和SCR調(diào)光器的調(diào)光輸入而采用LED替代白熾燈源和熒光燈源的需求。這也是傳統(tǒng)技術(shù)拖累新一代技術(shù)的其中一個案例。

　　調(diào)光部件很容易采用恒流直流電源供電。此時的挑戰(zhàn)在于根據(jù)LED方案沒有的控制器來實現(xiàn)調(diào)光。這樣，基本調(diào)光就只是一個改變脈寬調(diào)制恒流方波工作周期的過程，它會相當(dāng)快地進(jìn)行開關(guān)，從而避免產(chǎn)生可察覺的閃爍。

　　憑經(jīng)驗來講，超過100Hz(歐洲主要頻率的兩倍)就足夠了。事實上，歐洲管制機(jī)構(gòu)正在開始關(guān)注當(dāng)LED驅(qū)動器AC-DC前端中的功率因數(shù)校正(PFC)給施加給LED的波形帶來諧波時的這種相對較低的速率和短工作周期。

　　在處理難題之前，需要先考慮可控硅調(diào)光器引起的一些基本問題，可控硅調(diào)光器是通過中斷交流波形的每個半周期部分來控制簡單的白熾燈的亮度的。如果負(fù)載是燈泡的燈絲，這個問題就是小事一樁，不過如果負(fù)載是恒流驅(qū)動器IC的話，這個問題就不簡單了(請參見ELectronicdesign.com 上的“High-Brightness White LEDs Light The Way To Greener Illumination”一文)。

　　例如，美國國家半導(dǎo)體公司(NSC)的LM3445降壓控制器是一款可控硅調(diào)光驅(qū)動器。事實上，NSC公司的工程師開發(fā)了一款專有的恒定關(guān)斷時間方案，用于維持整個LED串中的恒流(圖3)。這實際上是一種脈沖頻率調(diào)制，因為采用恒定關(guān)斷時間時，導(dǎo)通時間就成了唯一的變量。這樣，通過改變切換頻率來控制導(dǎo)通時間就可以輕松實現(xiàn)了。

　　圖3：美國國家半導(dǎo)體的LM3445是首款用于普通照明LED產(chǎn)品的驅(qū)動器，它允許采用傳統(tǒng)可控硅調(diào)光器進(jìn)行調(diào)光。

　　LM3445的輸入端有一個齊納橋。此齊納橋后面的“填谷”電路可使斬波操作更加順利，并允許降壓穩(wěn)壓器即使在可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)時也可以汲取功率。

　　此IC的外接電路需要一個仿真白熾燈燈絲電阻的“泄漏”電阻，這種電阻是傳統(tǒng)照明電路中的可控硅中的一部分?！靶孤╇娮琛币话闶侵复┻^交流電源的輸出電容的電阻。這里的“泄漏電阻”消耗掉流經(jīng)關(guān)斷狀態(tài)下的可控硅的小電流。

　　在泄漏電阻的同一節(jié)點處，有一個帶一個15V齊納管和一個電源調(diào)整三極管的外部電路。電源調(diào)整三極管與大多數(shù)穩(wěn)壓線路電壓“保持一定距離”，因此，此IC的感應(yīng)引腳上的電壓在降至齊納橋的閾值以下時就會隨穩(wěn)壓線路電壓的變化而變化。

　　相對于交流線路波形45°至135°的可控硅調(diào)光器發(fā)射角，LM3445具有10%至100%的調(diào)光范圍。該電路部分基于斜坡發(fā)生器和比較器。斜坡比較器的輸出通過施密特觸發(fā)器驅(qū)動共源極N溝道MOSFET，MOSFET的漏極電壓與可控硅調(diào)光器的工作周期成正比。還有另外一個用于設(shè)置PWM關(guān)斷時間的電路。通過一個電阻來設(shè)置驅(qū)動LED電流的實際電流。

　　凌力爾特公司(Linear Technology)的LT3799針對類似的可控硅控制的應(yīng)用(圖4a)。該器件的設(shè)計人員對從AC-DC級開始的功率轉(zhuǎn)換級投入了大量工作，與NSC公司的升壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)相比，其AC/DC級采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)。其目的在于使整流部分的功率因數(shù)在整個調(diào)光范圍內(nèi)盡可能接近統(tǒng)一，而不會將有害的諧波傳到轉(zhuǎn)換鏈中。

　　圖4：凌力爾特發(fā)布的LT3799(a)利用了可控硅電壓(頂部)與驅(qū)動電流脈沖(底部)(b)之間的關(guān)系。

　　強(qiáng)調(diào)PFC的意義在于滿足歐洲IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的要求，該標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)線路頻率的諧波來規(guī)定功率因數(shù)的，而不是將功率因數(shù)規(guī)定為電力線上的電壓與電流之間的相位角。功率因數(shù)的這兩個定義是等效的，兩個定義都與負(fù)載電抗有關(guān)，但相關(guān)的方式有所不同。

　　每一個整流電路都包含一個大輸出電容，這個電容可儲存和平滑來自整流二極管的脈動直流。平滑操作的結(jié)果是，負(fù)載從每個交流輸入周期某一部分的線路汲取能量。在每個周期的其余部分，負(fù)載從電容汲取能量。雖然交流線路電壓為正弦電壓，但交流線路電流卻是尖峰電流，頻率呈傅立葉級數(shù)，為交流線路頻率的倍數(shù)。

　　IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每個諧波(多達(dá)32次諧波)允許的最大值。凌力爾特的芯片旨在滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過主動PFC將功率因數(shù)保持在0.97以上。

　　采用凌力爾特的PFC方法的其中一個優(yōu)勢是它實際上可以簡化可控硅調(diào)光。LT3799采用隔離型反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變壓器次級輸出饋回至初級端進(jìn)行控制，就像在任何反激式結(jié)構(gòu)中一樣。不過，與大多數(shù)反激式級不同的是，該級采用第三變壓器繞組進(jìn)行隔離，而不是采用光耦進(jìn)行隔離。

　　該芯片在工作時通過從感應(yīng)電阻獲得的外部MOSFET峰值電流信息來計算轉(zhuǎn)換器的輸出電流。(請參見LT3799數(shù)據(jù)手冊第9頁和第10頁，網(wǎng)址為http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3799f.pdf)。當(dāng)主電源關(guān)斷時，LT3799還可以通過第三繞組上的電壓來檢測和報告打開的LED串。正常工作時，第三繞組不僅可以感應(yīng)輸出電壓，還能向IC供電。

　　為實現(xiàn)0.97以上的功率因數(shù)，PFC電路在臨界導(dǎo)通模式下工作，也就是介于連續(xù)導(dǎo)通模式與斷續(xù)導(dǎo)通模式的邊沿。

　　雖然前端比較復(fù)雜，不過根據(jù)可控硅導(dǎo)通的AC波形的每個半周期的持續(xù)時間對LED串進(jìn)行調(diào)光的實際過程非常簡單明了。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，可控硅調(diào)光器在關(guān)斷時并不是理想的開關(guān)，因為它們允許流經(jīng)數(shù)毫安的電流。

　　事實上，這是可控硅的一個明顯特征。其他公司的調(diào)光控制器提供像白熾燈燈泡的燈絲一樣的電阻性負(fù)載，用來實現(xiàn)可控硅觸發(fā)。在凌力爾特的驅(qū)動器中，主電源MOSFET保持導(dǎo)通狀態(tài)，以便正確地加載可控硅，而不是在可控硅關(guān)斷時關(guān)斷主電源MOSFET。當(dāng)可控硅導(dǎo)通時，驅(qū)動器檢測到這一狀態(tài)，從而實現(xiàn)控制回路。

　　當(dāng)調(diào)光器的可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)時，泄漏電流仍然流經(jīng)LT3799的內(nèi)置濾波器。除變壓器初級繞組充當(dāng)分壓器之外，該電流對IC的輸入電容進(jìn)行充電，會引起隨機(jī)開關(guān)和LED閃爍。MOSFET柵級信號電平升高，以便在可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)時MOSFET導(dǎo)通，從而能夠排出泄漏電流?？煽毓枰坏?dǎo)通，MOSFET就會無縫地變回正常供電器件(圖4b)。

　　頭痛和癲癇問題

　　調(diào)光的決定性挑戰(zhàn)來自iWatt公司，這是一家無晶圓廠半導(dǎo)體公司，他們公司的調(diào)光器主要用于LED替換燈泡。這一特定的利基市場目前已由iWatt公司主導(dǎo)，其挑戰(zhàn)在于實現(xiàn)驅(qū)動器能夠從數(shù)百個可控硅控制器中識別出哪個可控硅控制器正在使用，進(jìn)而根據(jù)該信息定制燈的行為。

　　此外，該公司還表示，負(fù)責(zé)管理歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)的人員正在進(jìn)一步研究針對普通照明應(yīng)用的LED驅(qū)動器的AC-DC級中抑制的