利用電感型轉(zhuǎn)換器提高LED照明效率

　　LED在手機(jī)的LCD背光中的廣泛應(yīng)用已經(jīng)有若干年了。如今其應(yīng)用正擴(kuò)展到大面積的LCD應(yīng)用，包括袖珍PC、汽車導(dǎo)航GPS、數(shù)字相框、可攜式DVD乃至筆記型計(jì)算機(jī)。LED也正開(kāi)始取代家用的、汽車和其它通用光源的傳統(tǒng)白熾燈和鹵素光源。這一趨勢(shì)背后的驅(qū)動(dòng)力是技術(shù)的快速進(jìn)步，包括LED更亮，效率更高，價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)能力。實(shí)際上使用LED的理由很簡(jiǎn)單，就是它們具有高可靠性和更長(zhǎng)的壽命，在不需要更換的地方為終端用戶提供免維護(hù)的產(chǎn)品。

　　為了在LCD應(yīng)用中提供均勻的背光，幾個(gè)白色LED通常沿著LCD的一個(gè)邊安裝。LED的數(shù)量正比于LCD的尺寸。對(duì)于中等尺寸(7-10英吋)，通常共使用20-40個(gè)LED。這些LED通常被連接成平行的3個(gè)或更多的LED串。為了減少連接點(diǎn)，許多LCD只提供一個(gè)2端接口。這里，所有的LED串必須在內(nèi)部平行連接，然后連接到一個(gè)單電源上。

　　驅(qū)動(dòng)類型

　　為了在中等LCD尺寸的應(yīng)用中獲得所期望的亮度，要求驅(qū)動(dòng)器在所有的工作條件下能夠?yàn)長(zhǎng)ED提供一個(gè)可調(diào)整的電流。通常，采用兩種LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)：即容性電荷泵和基于電感的交換式穩(wěn)壓器。本文將集中討論能夠?yàn)長(zhǎng)ED提供1-6W功率的電感式轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動(dòng)電路。

　　電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)如今在手機(jī)和其它小尺寸的LCD背光應(yīng)用中普遍使用，原因在于它們的高亮度、低成本和實(shí)現(xiàn)容易。電荷泵所需要的外部零組件只有3只或4只電容，且沒(méi)有電感。不過(guò)，其輸出功率有限。

　　雖然一些大功率快閃型LED電荷泵能夠提供高達(dá)2W的功率，其輸出電壓最大只能到6V，因此無(wú)法驅(qū)動(dòng)2只以上串聯(lián)的LED。電荷泵中的通道數(shù)量(通常為6個(gè))決定了LED的數(shù)量。由于更多的通道意味著需要更多的接腳和更大的封裝，因此電荷泵限制了在中等尺寸面板中的應(yīng)用。

　　LED正向電壓(VF)，LED電流以及電源電壓范圍的不同組合，決定了所需的電感型轉(zhuǎn)換LED驅(qū)動(dòng)器的類型，LED VF隨著電流、溫度和LED型號(hào)的不同而變化。出現(xiàn)在最低溫度時(shí)的最大VF是選擇LED驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，通常是在線性結(jié)構(gòu)、降壓或升壓結(jié)構(gòu)中進(jìn)行選擇。本文中假定最大VF為3.8V。

　　當(dāng)選擇LED驅(qū)動(dòng)IC時(shí)，關(guān)鍵參數(shù)包括開(kāi)關(guān)電流極限、最大輸出電壓，以及需要保護(hù)開(kāi)路LED條件所需的過(guò)壓保護(hù)閾值等。像電感和電容這類外部零組件也需要仔細(xì)選擇。

　　應(yīng)用實(shí)例

　　以8英吋的LCD模塊為例，包括總共9串(每串3只)白色LED組成的背光(圖1)。LED串的總電壓(LED的VF為3.3V)通常為10V(3×3.3V)。每只LED的電流為20mA，則總驅(qū)動(dòng)電流為180mA(9×20)，LED總功耗為1.8W。用一個(gè)AC電源配接器提供一個(gè)5V電源。一個(gè)基于電感的LED驅(qū)動(dòng)器非常適用于該應(yīng)用。

　　圖1：8英吋LCD模塊背光電路。

　　首先計(jì)算處理2W的負(fù)載需要多大的開(kāi)關(guān)電流。假定效率為80%，輸入電流等于Vout×Iout/Vin×效率=10×0.18/5×0.8=450mA。CAT4139電感型升壓LED驅(qū)動(dòng)器具有750mA(最小值)的驅(qū)動(dòng)能力，故很適合于該應(yīng)用。

　　電感的電流額定值應(yīng)該能夠處理LED驅(qū)動(dòng)峰值開(kāi)關(guān)電流且不進(jìn)入飽和。一旦出現(xiàn)飽和，就會(huì)出現(xiàn)電流突波，因?yàn)榇藭r(shí)電感的功能便成了一只電阻，電路不再按照預(yù)期工作。合適的電感額定電流應(yīng)該大于等于80mA。

　　工作期間LED的最大輸出電壓應(yīng)該低于額定最大輸出電壓。由于3只LED串聯(lián)，在冷溫下，總正向電壓可能高達(dá)11.4V(3×3.8V)。24V的開(kāi)路LED檢測(cè)閾值遠(yuǎn)高于其極限值。如果LED斷開(kāi)，輸出電壓將會(huì)上升并保持在30V，此時(shí)組件處于低功率模式，從電源吸納的電流僅有幾毫安。30V額定輸出電壓的電容是合適的。

　　現(xiàn)在考慮由12V電源供電的一只6W LED燈?？梢杂?只高亮度白色LED串聯(lián)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，用一個(gè)300mA的固定電流來(lái)驅(qū)動(dòng)，典型的正向電壓為3.3V。

　　LED串的電壓通常為20V，在冷溫將會(huì)增加到23V(6×3.8V)。該電壓對(duì)于CAT4139這類組件過(guò)高。需要利用向CAT4240這類具有更高電壓的升壓型LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。CAT4240升壓LED驅(qū)動(dòng)器的過(guò)壓檢測(cè)閾值為40V，適用于串聯(lián)燈數(shù)高達(dá)10只的LED串。

　　當(dāng)電源電壓高于總LED正向電壓時(shí)，可以選用一個(gè)線性電流源或者開(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器來(lái)為L(zhǎng)ED提供恒流。不過(guò)線性電流源有一個(gè)缺陷，即耗散在穩(wěn)壓器中的功耗正比于電源到負(fù)載的電壓差。開(kāi)關(guān)電源的效率較高，能夠避免任何較大的熱量耗散在IC上，且工作溫度接近或者略為高于環(huán)境溫度。

　　圖2說(shuō)明了如何利用CAT4201從一個(gè)24V電源來(lái)驅(qū)動(dòng)5只1W的LED。LED電流由外部電阻R1來(lái)設(shè)定。CAT4201降壓LED驅(qū)動(dòng)器利用兩階段開(kāi)關(guān)作業(yè)來(lái)提供精確的平均電流。在第一階段，位于內(nèi)部的CAT4201 FET開(kāi)關(guān)將SW端連接到地，使電流上升并對(duì)電感充電。

　　圖2：使用CAT4201驅(qū)動(dòng)5個(gè)1W的LED。

　　電感兩端的電壓基本上等于24V減去LED的壓降。一旦電流達(dá)到預(yù)定的峰值，內(nèi)部開(kāi)關(guān)就切斷，而電流則繼續(xù)流過(guò)蕭特基二極管，直到電感放電為止。

　　當(dāng)電感的電流降到0時(shí)，將重復(fù)上述過(guò)程，因而電感電流的波形為三角形。本例中，開(kāi)關(guān)頻率約為260kHz。LED兩端的電容C2將LED的電流突波減到最小。采用大電容會(huì)將突波減到更小。本例中的總轉(zhuǎn)換器效率(LED功率除以來(lái)自VBAT的功率)可達(dá)94%。

　　在調(diào)節(jié)過(guò)程中LED電流保持完好，只要VBAT高于總VF+3V。低于該電平時(shí)，LED電流將線性降低。針對(duì)特定應(yīng)用，必須選配合適的交換式穩(wěn)壓器和外部零組件。交換式穩(wěn)壓器的高效率使得在電源管理電路中的熱耗散不再是一個(gè)問(wèn)題，而用戶得到的好處則是節(jié)省了能源。

　　線性電流穩(wěn)壓器IC能夠提供固有的低噪聲性能(沒(méi)有開(kāi)關(guān))，但由于封裝溫度的限制，只適用于小電流應(yīng)用。當(dāng)用來(lái)驅(qū)動(dòng)中規(guī)模尺寸的面板和通用照明應(yīng)用時(shí)，電感型轉(zhuǎn)換器LED驅(qū)動(dòng)器是可選的解決方案，可以實(shí)現(xiàn)良好控制的LED和最佳的總發(fā)光效率。選擇合適的電感型轉(zhuǎn)換器有助提升效率，而實(shí)際上是升壓或是降壓，則取決于應(yīng)用的電源和LED的配置結(jié)構(gòu)。