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第2章 LED 驱动基础知识

2.1 LED驱动拓扑结构简介

　　LED按照应用可以分为照明、背光和显示三大类别。大多数的LED驱动电路都属于下列拓扑类型：降压型、升压型、降压-升压型、SEPIC和反激式拓扑。为了实现更加高效的LED照明,需要有新的拓扑结构来提供解决方案,从反激式拓扑结构转向谐振半桥拓扑结构,可以充分发挥零电压开关拓扑结构(ZVS)的优势。除此之外还有简易的限流电阻器或线性稳压器来驱动LED,但是此类方法通常会浪费过多功率。LED照明应用的主要设计挑战包括以下几个方面：散热、高效率、低成本、调光无闪烁、大范围调光、可靠性、安全性和消除色偏。这些挑战需要综合运用适当的电源系统拓扑架构、驱动电路拓扑结构和机械设计才能解决。

表1 LED驱动常用拓扑结构图

　　不管LED照明系统的输出功率有多大,LED驱动器电路的选择都将在很大程度上取决于输入电压范围、LED串本身的累积电压降、以及足以驱动LED所需的电流。这导致了多种不同的可行LED驱动器拓扑结构,如降压型、升压型、降压-升压型和SEPIC型、反激式拓扑、谐振半桥拓扑结构。每种拓扑结构都有其优点和缺点。

　　LED驱动电路相关的设计参数包括输入电压范围、驱动的LED数量、LED电流、隔离、EMI抑制以及效率等。总的看来LED照明设计需要考虑以下几方面的因素：

　　输出功率：涉及LED正向电压范围、电流及LED排列方式等
　　电源：AC-DC电源、DC-DC电源、直接采用AC电源驱动
　　功能要求：调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制
　　其他要求：能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性等
　　更多考虑因素：机械连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等

2.2 LED照明驱动

　　LED照明符合节能环保的大趋势,前景比较明朗,虽然背光、显示技术发展多年,方案相对成熟,但在市场热度上不如照明,而且在很多相关消费电子市场(如手机背光)竞争强度大,对成本要求高,价格战频发,利润空间受到较大限制。有人认为也许就在2-3年中,LED照明技术将有突破性进展,市场会大规模启动。与此同时LED照明的应用不断拓宽,新的市场不断涌现。也许大功率路灯、普通照明等市场起步比较慢,但你会发现一些小功率的照明市场在快速发展,比如装饰照明、便携产品照明等等。

　　美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固态照明(SSL)规范：

　　美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品,如嵌灯、橱柜灯及台灯,其中,住宅应用的LED 驱动器功率因数须大于0.7,而商业应用中则须大于0.9;但是,这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC61000-3-2 谐波含量标准中则规定了功率大于25 W 的照明应用的总谐波失真性能,其最大限制相当于总谐波失真(THD) 0.94。

　　虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数,但某些应用可能有这方面的要求,如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用,此外,公用事业机构购入/维护街灯时,也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常 0.95+)。

　　美国能源部能源之星近期发布了其集成LED灯(该灯通常要拧入ANSI标准化灯座,与当今市面上的大多数白炽灯类似)提议标准的修订草案3,其中规定对于功率≤5W的灯泡,对最小功率因数不作要求,对于功率 5W的灯泡,功率因数必须≥ 0.70。

LED照明系统拓扑架构选择：

　　LED照明系统架构选择取决于你的设计目标是低成本、高效率还是最小PCB面积。一般来说,小于25W的LED照明系统不要求进行功率校正,因此可以采取简单一些的拓扑架构,如PSR或Buck拓扑。25W-100W的LED照明应用要求进行功率校正,因此一般采用单级PFC、准谐振(QR)PWM或反激式拓扑。100W以上LED照明应用一般采用效率更高的LLC拓扑和PFC。从效率角度来看,LLC和QR性能更好;而PSR方案无需次级反馈,设计简单,尺寸也比其它方案小。”

　　就DC-DC解决方案而言,其中,标准降压型转换器是最简单和最容易实现的方案,升压型和降压-升压型转换器次之,而SEPIC型转换器则最难实现,这是因为它采用了复杂的磁性设计原理,而且需要设计者拥有高超的开关模式电源设计专长。终端产品的应用决定LED的拓扑结构,然后再根据LED的拓扑结构和输入电源再合理选择Buck、Boost、SEPIC(较少用)、或Buck-Boost结构。“一般来说,25W以下选用Buck的较多。更大功率的则倾向于选择Boost结构。效率的话两者一般都可以做到85%以上,小功率的LED灯尽量采用集成度高的方案。大功率的方案要选用技术集成度高的产品。

2.3 LED背光驱动

　　LED背光在手机、数码相机、PowerDVD等小尺寸屏上的应用已经非常成熟,近几年也不会有很高的年复合增长率。随着LED光通量的提高、成本的降低以及LED具有的绿色环保(CCFL背光含汞)、色域范围广、可进行局部调光等特性,符合目前LCDTV高清节能的发展需求。因此背光的增长点将在笔记本、液晶电视等中大尺寸屏上的应用。

　　移动手持等显示产品背光LED驱动IC的选择,按LCD的面积来设定需要LED点光源的个数;按LED的N串N并的点亮方式来选择不同工作原理、不同输出能力的LED驱动IC;1.8英寸～3.5 英寸手机用LCM其LED点光源是2颗～4颗LED;3.5英寸～8.0英寸MP3、MP4、PDP、GPS、PND、DPF用LCM其LED点光源是6颗～28颗LED;12.1英寸～15.4英寸笔记本电脑用LCM其LED点光源是48颗～60颗、60颗～72颗LED;手机有RF怕干扰,因此大多数不选用以电感器为电能储存器的DC/DCBoost;没有RF 的消费电子产品,大多选用DC/DCBoost,因其能输出较高电压和有较高效率。常用LED驱动IC的有电荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant current)、电感升压开关稳压器(DC/DC Boost)。下面是移动手持显示产品背光驱动IC的选择表。

表2移动手持显示产品背光驱动IC的选择

2.4 LED 显示屏驱动

　　LED显示屏作为一项高科技产品引起了人们的高度重视,采用计算机控制,将光、电融为一体的智能全彩显示屏已经在广泛领域得到应用。其像素点采用LED发光二极管,将许多发光二极管以点阵方式排列起来,构成LED阵列,进而构成LED屏幕。通过不同的LED驱动方式,可得到不同效果的图像。因此LED驱动芯片的优劣,对LED显示屏的显示质量起着重要的作用。LED驱动芯片可分为通用芯片和专用芯片。通用芯片一般用于LED显示屏的低端产品,如户内的单、双色屏等。

图4 LED显示屏系统的基本结构

　　目前,LED显示屏专用驱动芯片生产厂家主要有TOSHIBA(东芝)、TI(美国德州仪器公司)、SONY(索尼)、MBI(聚积科技)、SITI(点晶科技)等。在国内LED显示屏行业,这几家的芯片都有应用。

　　由于LED是电流特性器件,即在饱和导通的前提下,其亮度随着电流大小的变化而变化,不随着其两端电压的变化而变化。专用芯片的最大特点是提供恒流源输出,保证LED的稳定驱动,消除LED的闪烁现象。具有输出电流大、恒流等特点,适用于要求大电流、高画质的场合,如户外全彩屏、室内全彩屏等。

　　LED显示屏的驱动一般是多通道恒流源(目前多数为16通道)再加上灰度控制等功能,IC上不集成DC/DC等电源模块,而在背光和照明驱动中,通道数会少一些,而且DC/DC转换模块通常是IC的一部分。LED显示屏非常注重屏的刷新速度和图像表现能力,高匹配度、高刷新率和高分辨率成为判断一个LED显示屏性能优劣的重要指标。这要求LED显示屏驱动IC通道间电流的高一致性、高速的通信接口速率以及恒流响应速度。显示屏驱动的技术着重于LED灰阶线性度及快速的输出响应。背光厂则采用多并多串的架构使得需要的操作电压高达50V～60V,这会使驱动IC所需要的工艺技术提高,在串高电压后每个LED的VF的差异度便需要列入考虑,这对整体的电源效率及定电流(ConstantCurrent)控制会有很大的影响。 下表为LED显示屏幕驱动关键指标。

表3 LED显示屏幕驱动关键指标

2.5 LED汽车照明驱动

　　对汽车应用来说,LED有极大的吸引力,长寿命、抗震、高效、对光源良好的控制能力,都是它的优势。当然,相对于白炽灯,LED需要驱动电路,还有汽车电气是靠酸铅蓄电池供电的,是机械驱动的交流发电机充电,这类电池适合白炽灯,不适用LED,因此,设计一种稳压性能良好而又低噪声的驱动电路是十分必要的。汽车电源的变化范围是很大的,在8V-18V之间,峰值电压可达几十伏。此外,高亮度LED驱动电流大,会在电阻上产生大量的热量,使散热设计复杂化。
　　图五所示是现代汽车中的各种LED照明应用。在汽车内部,有几种采用各种类型LED的“标准内置”照明模块。有些是单个LED,而像导航仪表板背光照明等另一些应用则需要LED阵列。在外部照明方面,LED也得到了认可。现在超过40%的中央高位刹车灯已经采用红光LED。另外,奥迪(Audi)2008 A8采用大电流LED阵列作为白天行车灯(DRL)。雷克萨斯(Lexus)600轿车和奥迪R8包括前灯在内的全部外部“前向照明”都是由LED完成的。类似地,甚至更多中档汽车和很多摩托车也采用了彩色LED阵列作为刹车/转向信号指示灯。

图5 LED照明在现代汽车中的典型应用

下图为汽车照明驱动系统结构图

图6 汽车照明驱动系统结构图

下表为汽车照明驱动常用拓扑结构表格

表4汽车照明驱动常用拓扑结构表

2.6 调光技术-模拟、PWM和TRIAC调光

　　LED调光解决方案及规范一直在不断变化,直到现在还未固定下来,所以现在市场上存在PWM、模拟及可控硅(TRAIC)三种调光方案。

　　PWM和模拟方法是其中较简单的,但需要构建调光基础架构和新的调光控制器。模拟调光方案的缺点是,LED电流的调节范围局限在某个最大值至该最大值的约10%之间(10:1调光范围)。由于LED的色谱与电流有关,因此这种方法并不适合于某些应用。PWM调光方案则是以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率(通常高于100MHz)在零电流和最大LED电流之间进行切换。该占空比改变了有效平均电流,从而可实现高达3000:1的调光范围(仅受限于最小占空比)。由于LED电流要么处于最大值,要么被关断,所以该方法还具有能够避免在电流变化时发生LED色偏的优点,而在采用模拟调光时这种LED色偏现象是很常见的。

关于TRIAC,说法不一：

　　TRIAC调光是业内非常热的一个话题,最初,TRIAC调光器是为白炽灯而设计的,但大多数用户希望相同的TRIAC调光器也能对替代的LED灯进行调光。

　　观点一：飞兆半导体公司高压IC产品行销经理SangCheol Her表示看好TRIAC调光方案的市场前景,可控硅(TRIAC,2线调光)将成为非常流行的解决方案,因为这种技术可以完全使用传统的系统而不需任何改变。而且,它还能够扩展为3线调光,以避免出现与低功率因数值相关的缺陷。”

　　观点二：Cytech产品及设计部工程师徐瑞包认为调制方式的选择不应该决定于LED的功率。而应决定于终端产品的应用要求。比如,显示背光或者LED装饰灯可能会选用PWM的调光方式,颜色一致性好,亮度级别高。但是对于一般的家用照明或者商业照明,模拟调光或者TRIAC也可以选择,不过会产生色偏,并且调光的级别会很低。”Tony Armstrong也指出,最终用户所采用的调光方法在很大程度上将由LED本身的最终用途来决定。例如,在LED用于给显示器提供背面照明的汽车信息娱乐系统中,环境照明的亮度变化范围是非常宽的,既有阳光充足时的无比明亮,也有无月之夜的漆黑一片,可谓千差万别。由于人眼对于环境照明条件的轻微变化极其敏感,因此需要3000:1的宽调光范围。这将要求LED驱动器电路采用PWM调光方法。不过,他补充道：“在LED街灯中,由于这种灯常常要么处于接通状态要么处于关断状态,因而只需要一个有限的调光范围即可。在这种场合中,仅需采用一种简单的模拟调光法便能满足要求。”

　　观点三：安森美半导体中国区高级应用经理郑宗前认为市场上TRIAC调光器的应用方案应该只是过渡性的,长远来说,应该会用PWM调光。主要的三点决定性因素为：1)用PWM 调光从零到最光,都不会有闪烁的现象。2)性能会更好。因为调光输出功率采用了功率因数校正电路,这是配合全球对灯光采用功率因数有强制性的要求,虽然一般从25 W开始有这要求,但美国要求灯光从零瓦起已需强制性功率因数校正电路。如采用TRAIC调光将牺牲功率因数和增加了电路的复杂性。因此,采用PWM调光可以提供最好性能的选择,也是未来的趋势。3)成本会更好。用PWM调整占空比,不需要太多额外的控制电路成本。” 英飞凌科技有限公司电源管理业务部产品市场总监Alexander Sommer也表示看好PWM调光方案前景,他说：“与模拟调光方法相比,LED的PWM调光方法有以下优点：1)效率更高;2)不管调光程度有多大,允许LED一直在优化的和恒定的电流下工组;3)在整个调光范围内LED颜色色调保持一致(颜色色调像流明输出一样随LED工作电流而变化)。”

　　为了在连续调光时实现无闪烁,大多数客户喜欢选择PWM调光,因为它可提供更大的调光范围和更好的线性度。取决于你正在使用的调光频率,闪烁现象可以降到最小。模拟调光更容易实现,因为它只需要一个DC电压就可以无闪烁地对LED进行调光。对于由多个LED构成的大功率照明应用,确保每个LED具有均匀的亮度且不产生任何闪烁也成为了主要的设计障碍,但PWM方法很容易解决调光时的闪烁问题。

　　如前所述,小于25W的LED照明应用主要是替换标准白炽灯和卤素灯。在这一功率范围上,最可能的一个应用就是替代由基于TRIAC(双向可控硅)的逐步削减入墙式调光器控制的白炽灯或节能灯。目前市场上有前沿和后沿削减调光器,这为整体兼容性带来了挑战,因为从EMI的角度来看TRIAC调光是很差的。

　　“对于要求最佳性价比的非调光应用,使用像英飞凌NCP6561这样的DCM PFC的单级PFC反激拓扑是一个合适的选择。”英飞凌科技有限公司电源管理业务部产品市场总监Alexander Sommer认为,“25W及以上功率范围LED照明应用面向更多的专业市场。调光控制方法的选择将取决于它是替代型还是新安装型。数字照明控制(如DALI或无线解决方案)允许对调光水平进行更精确的控制、以及更多的功能,如日光下调光和占空比感应。替代型安装可能要求兼容旧的模拟1-10V调光控制器。

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