升压式高亮度LED背光驱动电路技术设计

2010-05-30 11:33:49来源: EEWORLD

  摘要:由于LCD面板本身无法产生光源,所以,必须利用背光的方式将光投射到面板上,让面板产生亮度,并且亮度必须分布均匀,而获得画面的显示。以目前来看,大多数的LCD背光是利用CCFL及LED来作为背光源,尤其在中、大尺寸的部分,大多是使用CCFL背光源。
  
  随着消费者对于色彩的要求,根据实验,LED可以达到超过100%的NTSC色谱,由于LED可以提高面板色彩的表现能力,并且加上没有太大的环保问题。目前许多业者都已逐渐将部分的产品导入利用LED作为背光源。
  
  本文将以Supertex的以HV9911为例,来提供读者升压式高亮度LED背光驱动电路设计的相关讯息。
  
  ■升压电路设计特色
  
  升压电路是用来驱动LED的串联电压高于输入电压(图1),并且有以下的特色:
  
  1.此电路可被设计在效率高于90%下操作。
  
  2.M=SFET的(Source)与LED串共地,这简化了LED电流的侦测(不像降压电路必须选择上侧FET驱动电路或上测电流侦测。但是升压电路也有些缺点,特别是用于LED驱动,由于LED串的低动态阻抗)。
  
  3.输入电流是连续的,使得输入电流的滤波变得简单许多(并更容易符合传导式EMI标准的要求)。
  
  4.关闭用的FET毁损不会导致LED也被烧毁。
  
  5.升压电路的输出电流为脉冲式波形,因此,必须加大输出电容以降低LED串的涟波电流。
  
  6.但是过大的输出电容,使得PWM调光控制变得更具挑战,当控制升压电路开与关,以达到PWM调光控制,就表示输出电流会被每一个PWM调光控制周期充放电,这使得LED串电流的上升与下降时间会拉大。
  
  7.峰电流控制方式的升压电路,用以控制LED电流是无法达成的,需要闭回路方式使电路稳定,这又使得PWM调光控制更为复杂,控制电路必须增加频宽来达到所需要的反应时间。
  
  8.当输出端短路,控制电路无法避免输出电流的增加,即使关掉Q1FET仍对输出短路毫无影响,并且输入端电压的瞬变造成输入端电压的增加量大于LED串联电压时过大的涌浪电流可能会造成LED的毁损。

图1 Boost Converter LED Driver  

  ■升压电路操作模式
  
  升压电路可操作于二种模式,连续导通模式(Continuous Conduction Mode;CCM)或不连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode;DCM),这二种模式是由电感电流的波形决定的。图2a为CCM升压电路的电感电流波形,图2bDCM升压电路的电感电流波形。
  
  CCM升压电路是用在最大升压比例(输出电压与输入电压比值)小于或等于6,并在输入电流大于1安培的情形下,假如需要更大的升压比例,则需采用DCM模式。但是DCM模式会产生较大的峰值电流,因此导致电感的毁损增加,同时也造成均方根电流的增加。所以,DCM升压电路的效率要比CCM升压电路来得低,这也使得DCM的输出功率受限制。

图2 升压电路的连续导通模式与不连续导通模式

  ■以Supertex HV9911为例设计升压LED驱动电路

      HV9911为Close Loop,Peak Current Control,Switching Mode LED驱动电源控制IC,它内建了许多功能来客服升压电路的缺点。HV9911包含了9-250VDC输入电压稳压器,不需额外电源,仅由单一输入电压提供IC动作的工作电源。它内建了2%精密的参考电压(全温度范围)能精确地控制LED串联电流。并且包含了断路用的FET驱动电路。当输出短路或过电压时,便会自动断开LED串之对地路径。此功能缩短了控制电路的反应时间(请参考PWM调光电路说明)。(图3)

  ■HV9911控制电路的功能

图3 HV9911内部电路结构

  IC内部提供稳压电路9∼250V输入电压,可输出7.75V电压输出提供IC内部电源使用,若输入电压范围提升可经由外接一个200V,2WZener Diode于输入电压与IC的Vin pin之间(如图1-4),这可使得输入电压范围可提升至450VDC,亦可以使得IC内部稳压电路所产生的功率损耗分散一部份在Zener Diode上。

图4 Increasing the Input Voltage Rating

      IC的VDD pin工作电压可提高(如果有必要的话)藉由一个二极管连接至外部电压,此二极管是避免将外部电压若低于IC内部稳压电路的输出电压时,会造成IC的烧毁,最大的外接静态稳定电压为12V(瞬态电压为13.5V),因此11V+/-5%的电压源是理想的外部提升电压值。

  IC内部提供1.25%、2%精密参考电压,这参考电压可用来设定电流参考位准,以及输入电流限制位准,此参考电压也同时提供IC内部设定过电压保护。
  
  振荡电路时间模式
  
  振荡电路可经由外部电阻设定振荡频率。若此电阻跨接于RT及GND pins之间,则IC操作于定频模式,另外,若电阻跨接于RT与GATE pins间,则IC操作于固定关闭时间模式(此模式不需要斜率补偿控制使电路稳定)。定频时间或关闭时间可设定于2.8ms到40ms之间,可运用IC规格书内的计算式设定。
  
  于定频操作模式下,将所有SYNC在一起,多个IC可操作在单一频率。少数个案必须外加一个大电阻2300于SYNC到GND之间,用来抑制杂散电容所造成的振铃,当所有SYNC连接在一起时,建议使用相同电阻值跨接于每一个IC的RT与GND之间的电阻。
  
  闭回路控制的形成是连接输出电流信号至FDBK pin,同时将电流参考位准连接至IREF pin,补偿网络连接至Comp pin(传导运算放大器的输出端),如图5所示。放大器的输出受PWM调光信号所控制,当PWM调光信号为High时放大器的输端连接至补偿网络,当PWM调光信号为Low时,放大器的输出端与补偿网络被切断,因此补偿网络内的电容电压维持住,一直到PWM调光信号再度回复High准位时,补偿网络才又连接图放大器的输出端,这样可确保电路动作正常以及获得非常良好的PWM调光反应,而不需要设计一个快速的控制电路。

图5 Feedback Compensation

  FAULT信号保护驱动电路
  
  FAULT信号pin可用于驱动外部断接FET(图6)IC启动时,FAULT信号维持Low电位,IC启动过后,此pin被pulledhigh,这使得内电路的LED与升压电路连接,电路完成启动点亮LED,假如输出端有过电压或短路情形发生,内部电路会将FAULT信号拉Low并使LED与升压电路断接。
  
  FAULT信号也控于PWM调光控制信号,PWM调光信号为Low时,FAULT信号亦为Low,但当PWM调光信号为High时,FAULT信号却不见得为High。
  
  断接LED时,可确保输出电容不会随着PWM调光信号的周期而充放电。
  
  

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关键字:升压  LED  背光  驱动电路  设计  公式  步骤

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/szds/2010/0530/article_1669.html
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