用于汽車/HDTV背光的高電流LED驅動器設計

LED實現(xiàn)高對比度比/高分辨率

其中的應用實例包括汽車的車身面板或高畫質電視(HDTV)中的液晶顯示器(LCD)，因為它們在汽車或HDTV的使用期限內將永遠不須更換。此外，LED的面積和高度要比同類替代方案小幾個等級，而且可以制作成非常扁平的外形，因此能永久性嵌入于汽車的內部和外部裝置及扁平的消費類電子產品中。另外，透過紅光、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，遠遠超過人類肉眼的分辨能力，因而在背光應用 HDTV及其它類型的顯示器中，帶來了巨大的改善。如果沒有LED，高對比度和高分辨率的HDTV將無法實現(xiàn)。

然而，照明系統(tǒng)設計師所面臨的最大挑戰(zhàn)之一是如何最佳化最新一代LED的優(yōu)勢？由于LED通常需要一個準確而高效的直流電(DC)電流源及一種調光方法，因此，必須設計LED驅動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、精小和具成本效益等特點。因此對于LED驅動IC而言，汽車應用和大型HDTV 液晶顯示器的背光應用是諸多極苛刻應用中的兩個實例。

由于LED在汽車應用中所擁有的綜合優(yōu)勢，各種汽車照明形式已全面采用，從車前燈到儀表盤/導航裝置的背光及普通的車身內部/外部照明等一應俱全。傳統(tǒng)上一直由冷陰極管(CCFL)提供的HDTV背光應用正在逐漸地被規(guī)模較大、能夠以單獨的LED串調光的高亮度LED陣列所取代，實現(xiàn)精準的局部調光。相較于采用CCFL背光源的傳統(tǒng)HDTV，將使對比度比提高一個等級。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亮度的實時調節(jié)，從而解決在CCFL背光照明HDTV固有的運動圖像模糊問題。

汽車照明應用逐漸采用LED

高亮度LED具備尺寸小、低功耗和快速接通時間等優(yōu)勢，因此被汽車廣泛采用的局面。LED在汽車中的初始應用是中央高架停車燈(CHMSL)；此應用使用紅光LED提供一個非常扁平的照明陣列，該照明陣列易于安裝，而且永遠不須要更換。

傳統(tǒng)上，白熾燈泡是最為經濟的光源，且仍被許多汽車所采用。然而，隨著可用照明空間的日益縮小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迅速取代白熾燈泡。信息娛樂系統(tǒng)中的傳統(tǒng)CCFL背光已漸被白光LED陣列取代，白光LED陣列提供了更精準且可調的背光且可輕松超越汽車壽命的使用期限。

另外，人們還在利用一種“可操縱”型高電流LED陣列開發(fā)車前燈。該領域一直是被鹵素/氙燈絲設計所獨占的。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，LED永遠不須更換，因為其長達100,000小時以上的固態(tài)壽命(使用年限為11.5年)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，而毋須像以往預留用來更換燈絲燈泡的入口。由于LED照明系統(tǒng)不需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為近期投產的Lexus LS600h LED頭燈。奧迪(Audi)的R8和通用汽車(GM)的Escalade也擁有類似的選項。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五種專為所有照明要求而最佳化的LED光束，這些光束包括近光、遠光、彎道光、晝間行駛燈和方向燈，全由LED來提供。標準光束一般將需要35～50瓦的功率。聽起來好像并不太多，但LED提供的光通量是鹵素燈的十倍，因此，LED的光輸出相當于500瓦鹵素燈。遠光所需的功率與標準光束相同或稍高，而彎道光、晝間行駛燈和轉向訊號需要較少的功率。這些光束均可利用單個HB LED驅動器驅動，由于電能消耗可能超過200瓦，可見采用發(fā)熱量極少的高效率LED驅動器的重要性。

圖1　HB LED Lexus LS600h前照燈/方向燈/大燈

LED驅動電路提升產品性能

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。

大多數前照燈應用都需要大約50瓦的LED電流。有廠商專為此應用而設計能把汽車總線電壓(標稱值為12伏特)提升至高達60伏特，以驅動多達十四個串聯(lián)的1安培LED(圖2)。

圖2　采用LED驅動器解決方案的50瓦前照燈電路圖

圖3顯示某LED驅動器解決方案的效率可高達93%，它免除了對任何功率組件進行散熱的需要，從而實現(xiàn)了非常精小的接腳占位。雖然圖2中的電路是升壓模式架構，但運用了獨特的高壓側電流檢測設計，使其還能夠根據應用的特殊要求而被配置成升壓、降壓模式、升降壓模式或反馳式架構。

圖3　圖2所示電路的效率曲線

該解決方案的設計是從一個內部調節(jié)7伏特電源來驅動一個低壓側外部N通道金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)。固定頻率、電流模式架構在一個寬廣的電源和輸出電壓范圍內實現(xiàn)穩(wěn)定和精準的運作。若LED驅動器IC想在輸入電壓不穩(wěn)定的情況下實現(xiàn)恒定的LED亮度，其設計中必須提供一個定電流源。這對汽車應用特別重要，因為輸入電壓會在冷啟動和負載突降等過程中遇到瞬變而發(fā)生巨大擺動，因此，相關解決方案的最大輸入電壓要求，即使主汽車總線承受瞬態(tài)電壓的情況下，也要能調節(jié)LED電流和電壓。

此外，一個參考于地電位的電壓回饋針腳可充當眾多LED保護功能電路(如開路LED保護)的輸入，并使轉換器產生電壓源的作用。一個頻率調節(jié)接腳則允許使用者在100k～1MHz的范圍內進行頻率設置，以最佳化效率和性能，同時最大限度地縮減外部組件尺寸。

目前相關廠商設計中有True Color脈沖寬度調變(PWM)調光功能可實現(xiàn)高達3,000:1的調光比，而發(fā)射光的色彩無變化(圖4)，從而使得能夠利用PWM的工作周期來對 LED前照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)電源開關的工作周期，而是由回授回路負責在每個周期中控制開關中的峰值電流。相較于電壓模式控制，電流模式控制改善了回路動態(tài)特性，并提供了逐周期電流限制。

圖4　圖2中True Color PWM調光示意圖

HDTV增長帶動　LED背光應用

汽車中的信息娛樂和導航顯示器的LED背光應用刺激了具高調光比的HB LED背光源應用，汽車內部各種環(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。增長速度最快的消費類電子產品市場之一是平面HDTV。由于消費者需要屏幕較大的HDTV和較高的分辨率，因此這種需求迅速地從等離子體HDTV轉移到了LED HDTV。

根據DisplaySearch預測，等離子體HDTV的銷售額于2008年達到顛峰(240億美元)，而液晶HDTV則在2008年實現(xiàn)750億美元的市場銷售額，并將在2010年以前增長至930億美元。然而，液晶HDTV存在許多缺點，包括運動模糊和彩色再現(xiàn)性等，也就是說，目前這一代液晶 HDTV無法獲得真正的「黑色」，而且提供了所有彩色的一個較低的動態(tài)范圍。傳統(tǒng)HDTV采用CCFL作為背光源，而且僅能提供450～650cd/m2 的對比度比。這些HDTV的主要問題是其不能完全關斷CCFL背光源或對之進行局部調光。

與此相反，當采用HB LED背光源時，一個能夠以背光LED串進行局部調光或關斷操作的LED陣列(對于46吋顯示器而言，LED的數目多達一千六百個)幾乎提供了比CCFL 設計高出一個數量級的對比度比(>4,000cd/m2)。此外，透過調節(jié)背光LED串的亮度，還可以復制更多的中間色調，從而使得圖像更加生動逼真。

能夠在局部位置將LED完全關斷的另一個好處是可減少運動模糊。通過在訊框與訊框間將LED完全關斷，由快速運動物體所引起的圖像模糊實際上將被消除。在解決CCFL背光液晶電視所常見的快速運動模糊問題的過程中，LED的快速響應速率是相當重要的。

要想使LED背光HDTV成為可行方案，關鍵因素之一便是LED驅動IC。由于每塊顯示屏包含如此之多的LED，因此LED驅動器電路必須具有非常高的效率，否則顯示器將產生嚴重的熱問題，并須采用體積龐大的散熱片，這與消費者期盼平面HDTV外形更平、重量更輕的愿望背道而馳。此外，這些驅動器 IC還必須能夠提供非常寬的調光比(高達5,000:1)以實現(xiàn)所需的寬對比度比。最后，整個LED驅動器解決方案必須非常精小，以造就大多數消費者所要求非常扁薄的HDTV款式。

依據廠商降壓模式LED驅動器設計，其具有十六個單獨的信道，每個信道能夠從高達45伏特的輸入來驅動由多達十個50毫安LED所組成的LED串。每個信道可被用來驅動一串(十個)LED以提供局部調光。其十六個通道均可進行獨立控制，并且具有一個單獨的PWM輸入，該輸入能夠提供高達 5,000:1的PWM調光比。每個通道僅需要一個片式電感和一個甚至更小巧的陶瓷輸出電容。其它的必需組件僅為單個輸入電容和用于確定電流的設定電阻 (圖5)。具箝位二極管、電源開關及具補償功能的控制邏輯電路所有十六個信道均被整合在較小的五十六接腳、5毫米×9毫米QFN封裝之產品中。這樣的產品設計擁有92%的峰值效率(在2MHz開關頻率條件下)，因而免除了增設外部散熱裝置的需要(圖6)。

圖5　一個從45伏特輸入來驅動一百六十個白光LED的十六信道LED驅動器示意圖。(PWM調光比為5000:1)

圖6　圖5所示的160-LED驅動器的效率高于92%

圖7表示5,000:1PWM調光波形和一個外觀非常方正的LED電流波形。即使在導通時間僅為2微秒的情況下，一個20毫安LED電流仍然與100Hz的PWM訊號同步接通和關斷。降低PWM頻率可以實現(xiàn)較高的PWM調光比，但100Hz頻率能夠確保不出現(xiàn)可見閃爍。

圖7　圖5所示電路的5000:1 PWM調光波形

所有十六個通道的滿LED亮度均利用單個外部電阻器來設定。每個通道具有相同的編程LED電流--設定在10～50毫安之間。各通道之間的LED電流準確度在8%以內。True Color PWM調光采用了一個減小的工作周期，目的在提供準確的調光，而不使發(fā)射光的彩色發(fā)生任何偏移。固定頻率、電流模式控制方案在一個很寬輸入和輸出電壓及電流范圍內提供穩(wěn)定的操作。對流過用于每個通道的內部檢測電阻和內部開關的LED電流的直接控制及用于每個信道的控制電路提供了適合LED驅動的卓越恒定電流源調節(jié)性能。內部100毫安電源開關和五十六接腳QFN封裝的外露散熱墊提供了足以處理十六個通道的功耗和發(fā)熱量(在50毫安電流條件下)的電源管理和熱管理。

LED照明應用在汽車和LCD HDTV中迅速普及，使得對高電流LED應用中的LED驅動IC產生了許多特殊的效能要求。在汽車中，這些應用從前照燈到內部照明等不一而足。在HDTV中，LED則提供了一種更精密的局部調光法，大幅改善了圖像質量。

此外，在汽車和HDTV市場以外的眾多商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中，LED的應用也非常普遍，它們同樣具有這些高性能大多數的要求。這些LED驅動器還必須能夠提供定電流，以保持均勻的亮度，而不受輸入電壓或LED正向電壓變化的影響，且須實現(xiàn)高工作效率，且提供寬調光比。另外，這些應用還需要接腳占位非常精小及散熱效率很高的解決方案。面對汽車、HDTV應用及眾多其它LED設計要求，開發(fā)高電流LED驅動器產品系列實為重要課題。