面向汽車和HDTV應(yīng)用的最佳LED驅(qū)動器解決方案

   目前，有關(guān)高亮度LED (發(fā)光二極管) 的市場分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存在著巨大的差異。盡管預(yù)測存在分歧，但有一個(gè)趨勢是明確的，即：高亮度 (HB) LED市場將以一種驚人的速度迅猛成長。根據(jù)法國Yole Development公司所做的預(yù)測，所有LED的市場規(guī)模將在2012達(dá)到103億美元。在這當(dāng)中，高亮度和超高亮度LED總共將占到約44.5億美元；幾乎是2007年7.83億美元市場規(guī)模的5.5倍 (基于封裝式LED)。

    是什么支持了如此令人注目的成長潛力？首先，LED的發(fā)光效率是白熾燈泡的10倍，以及熒光燈的2倍，因此，當(dāng)提供一個(gè)給定的光輸出量 (單位：流明)時(shí)，它所需的電能以及產(chǎn)生的熱量大幅度下降。隨著LED的進(jìn)一步發(fā)展，它從電能產(chǎn)生光通量的效率將繼續(xù)升高。其次，當(dāng)今世界非常重視環(huán)保，LED照明不需要操作、暴露和處置熒光燈泡中常見的有毒汞蒸汽。第三，白熾燈泡每1,000小時(shí)就需要更換，熒光燈泡的使用期限為10,000小時(shí)，而LED的壽命則長達(dá)100,000小時(shí)以上。在大多數(shù)應(yīng)用中，這使得LED能夠被永久地嵌入在最終產(chǎn)品或系統(tǒng)中，而無需采用某種固定物。具體實(shí)例包括汽車中的車身面板或HDTV中的LCD顯示屏，因?yàn)樗鼈冊谄嚮騂DTV的使用期限內(nèi)將永遠(yuǎn)不需要更換。此外，LED的面積和高度要比同類替代方案小幾個(gè)數(shù)量級，而且可以制作成非常扁平的外形，因此能夠永久性地嵌入在汽車的內(nèi)部和外部裝置以及扁平的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。另外，通過采用一種紅光、綠光和藍(lán)光LED配置，還可以提供無限多種彩色光。LED的調(diào)光和接通/關(guān)斷操作速度之快遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人眼的分辨能力，因而在背面照明HDTV及其他類型的顯示器中實(shí)現(xiàn)了巨大的改善。如果沒有LED，高對比度比和高分辨率清晰型LCD HD TV將無法成為現(xiàn)實(shí)。

    然而，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師所面臨的最大挑戰(zhàn)之一是：如何優(yōu)化最新一代LED的所有優(yōu)勢？由于LED通常需要一個(gè)準(zhǔn)確而高效的DC電流源以及一種調(diào)光方法，因此，必須設(shè)計(jì)LED驅(qū)動器IC，以在眾多應(yīng)用中滿足這些要求。電源解決方案必須具備高效、功能堅(jiān)固性、緊湊和成本效益性等特點(diǎn)?？梢哉f，對于LED驅(qū)動而言，汽車應(yīng)用和大型HDTV LCD顯示器的背面照明應(yīng)用是其所面臨諸多極苛刻應(yīng)用當(dāng)中的兩個(gè)。由于LED在汽車應(yīng)用中所擁有的綜合優(yōu)勢，它們已經(jīng)被各種汽車照明形式全面采用，從車前燈到儀表盤/導(dǎo)航裝置背面照明以及普通的車身內(nèi)部/外部照明等一應(yīng)俱全。傳統(tǒng)上一直由CCFL (冷陰極熒光燈) 來提供的LCD HDTV背面照明應(yīng)用正在逐漸地被規(guī)模較大、能夠以單獨(dú)的LED串來調(diào)光的高亮度LED陣列所取代，從而實(shí)現(xiàn)了非常精準(zhǔn)的局部調(diào)光。與采用CCFL背光源的傳統(tǒng)HDTV相比，這使得對比度比提高了一個(gè)數(shù)量級。如前文所述，由于具有局部調(diào)光能力和超快的響應(yīng)時(shí)間，因此可以實(shí)現(xiàn)LED亮度的即時(shí)調(diào)節(jié)，從而消除了在CCFL背光照明HDTV固有的運(yùn)動圖像模糊這一長期存在的棘手問題。

汽車LED照明

  諸如小外形尺寸、低功耗和快速接通時(shí)間等優(yōu)勢開創(chuàng)了高亮度LED被當(dāng)今汽車所廣泛采用的局面。LED在汽車中的初始應(yīng)用是中央高架停車燈 (CHMSL)；這些應(yīng)用使用紅光LED來提供一個(gè)非常扁薄的照明陣列，該照明陣列易于安裝，而且永遠(yuǎn)不需要更換。

   傳統(tǒng)上，白熾燈泡是最為經(jīng)濟(jì)的光源，而且仍然被許多汽車所采用。然而，隨著可用照明空間的日益縮小以及對照明光源使用壽命要求的不斷提高，在許多應(yīng)用中，由LED所提供的燈光色彩和精簡型設(shè)計(jì)方案正在迅速取代白熾燈泡。信息娛樂系統(tǒng)中的傳統(tǒng)CCFL-LCD背面照明被白光LED陣列所取代的現(xiàn)象正變得越來越普遍，后者提供了更加精準(zhǔn)且可調(diào)的背面照明以及將輕松超越汽車壽命的使用期限。更有甚者，人們還在利用一種電“可操縱”型高電流LED陣列來開發(fā)車前燈 (見圖1)，而該領(lǐng)域一直是被鹵素/氙燈絲設(shè)計(jì)所把持的。幾乎所有的汽車照明應(yīng)用 (包括車身內(nèi)部/外部照明和背光照明應(yīng)用) 都將逐步過渡為采用LED。在該環(huán)境中使用LED的好處具有諸多積極的含意。首先，它永遠(yuǎn)不需要更換，因?yàn)槠溟L達(dá)100,000小時(shí)以上的固態(tài)壽命 (服役年限：11年半) 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(nèi)”的照明系統(tǒng)中，而無需像以往那樣留有用于更換燈絲燈泡的入口。由于LED照明系統(tǒng)不需要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示出了近期投產(chǎn)的Lexus LS600h LED車前燈。Audi (奧迪) 公司的R8和GM公司的Escalade擁有類似的選項(xiàng)。所有這些車輛的總體照明配置都是相似的。每個(gè)車前燈部件包含5種專為所有照明要求而優(yōu)化的LED光束，這些光束包括：近光、遠(yuǎn)光、彎道光、晝間行駛燈和轉(zhuǎn)向信號，它們?nèi)慷加蒐ED來提供。標(biāo)準(zhǔn)光束一般將需要35W至50W的功率。聽起來好像并不太多，但請不要忘記：LED提供的光通量是鹵素?zé)舻?0倍，因此50W LED的光輸出與500W鹵素?zé)羰窍喈?dāng)?shù)?。遠(yuǎn)光所需的功率與標(biāo)準(zhǔn)光束相同或稍高，而彎道光、晝間行駛燈和轉(zhuǎn)向信號將需要較少的功率。這些光束均可利用單個(gè)HB LED驅(qū)動器來驅(qū)動，這就是凌力爾特公司的LT3755。由于電能消耗有可能超過200W，可見采用發(fā)熱量極少的高效率LED驅(qū)動器是何等的重要。

圖1：HB LED Lexus LS600h車前燈/轉(zhuǎn)向信號/行駛燈。

汽車LED照明的設(shè)計(jì)參數(shù)

   為了確保最佳的性能和長久的工作壽命，LED需要一個(gè)有效的驅(qū)動電路。這些驅(qū)動電路必須能夠從相當(dāng)苛刻的汽車電源總線獲取工作電源，而且還應(yīng)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(shù)車前燈應(yīng)用都需要大約50W的LED電流。凌力爾特的LT3755專為服務(wù)于此類應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它能夠把汽車總線電壓 (標(biāo)稱值為12V) 提升至高達(dá)60V，以驅(qū)動多達(dá)14個(gè)串聯(lián)的1A LED，如圖2所示。

   圖3描繪了LT3755的效率 (可高達(dá)93%)。這一點(diǎn)極其重要，因?yàn)樗獬藢θ魏喂β试M(jìn)行散熱的需要，從而實(shí)現(xiàn)了非常緊湊的占板面積。雖然圖2中的電路是升壓模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但LT3755運(yùn)用了獨(dú)特的高壓側(cè)電流檢測設(shè)計(jì)，因而使其還能夠根據(jù)應(yīng)用的特殊要求而被配置成升壓、降壓模式、降壓-升壓模式或反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3：圖2所示LT3755電路的效率曲線。

  LT3755從一個(gè)內(nèi)部調(diào)節(jié)7V電源來驅(qū)動一個(gè)低壓側(cè)外部N溝道MOSFET。固定頻率、電流模式架構(gòu)在一個(gè)很寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定和精準(zhǔn)的運(yùn)作。LT3755提供了一個(gè)恒定電流源，LED驅(qū)動器IC要想在輸入電壓不穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)恒定的LED亮度，這是必不可少的。在汽車應(yīng)用中，這一點(diǎn)特別重要，原因是輸入電壓會由于在諸如“冷車發(fā)動”和“負(fù)載突降”等過程中遇到的瞬變而發(fā)生巨大的擺動。LT3755的最大輸入電壓為40V，這令其即使在主汽車總線承受40V瞬態(tài)電壓的情況下 (這在負(fù)載突降條件下是很常見的) 也能夠調(diào)節(jié)LED電流和電壓。

一個(gè)參考于地電位的電壓反饋引腳充當(dāng)眾多LED保護(hù)功能電路 (例如：開路LED保護(hù)) 的輸入，并可使轉(zhuǎn)換器起一個(gè)恒定電壓源的作用。一個(gè)頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100kHz至1MHz的范圍內(nèi)進(jìn)行頻率設(shè)置，以優(yōu)化效率和性能，同時(shí)最大限度地縮減外部元件尺寸。如果需要進(jìn)行外部同步，則可使LT3755-1版本在其整個(gè)100kHz至1MHz的頻率范圍內(nèi)同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。

  LT3755的True ColorTM PWM調(diào)光功能實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3000:1的調(diào)光比，而發(fā)射光的色彩無變化 (見圖4)，從而使得能夠利用PWM的占空比來對LED車前燈進(jìn)行經(jīng)常性的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)各種環(huán)境條件。由于凌力爾特的高電流LED驅(qū)動器是電流模式穩(wěn)壓器，因此它們并非直接調(diào)節(jié)電源開關(guān)的占空比，而是由反饋環(huán)路負(fù)責(zé)在每個(gè)周期中控制開關(guān)中的峰值電流。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路動態(tài)特性，并提供了逐周期電流限制。

圖4：圖2中的True Color PWM調(diào)光。

HDTV背面照明

  雖然看似并無關(guān)聯(lián)，但汽車中的信息娛樂和導(dǎo)航顯示器的LED背面照明卻刺激了具高調(diào)光比的HB LED背光源的應(yīng)用，汽車內(nèi)部各種各樣的環(huán)境照明條件使得寬調(diào)光比范圍成為必需，而在HDTV應(yīng)用中，這也是產(chǎn)生彩色的最大動態(tài)范圍所需要的。

   成長速度最快的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場之一是平板HDTV。由于消費(fèi)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(zhuǎn)移到了LED HDTV。根據(jù)DisplaySearch公司的預(yù)測，等離子體HDTV的銷售額將在2008年達(dá)到頂峰 (240億美元)，而LCD HDTV在2008年將實(shí)現(xiàn)750億美元的市場銷售額，并在2010年以前增長至930億美元。然而，LCD HDTV存在多種缺點(diǎn)，包括運(yùn)動模糊和彩色再現(xiàn)性等等。也就是說，目前這一代LCD HDTV無法獲得真正的“黑色”，而且提供了所有彩色的一個(gè)較低的動態(tài)范圍。傳統(tǒng)HDTV采用CCFL管作為背光源，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(guān)斷CCFL背光源或?qū)χM(jìn)行局部調(diào)光。

    與此相反，當(dāng)采用HB LED背光源時(shí)，一個(gè)能夠以背面照明“LED串”來進(jìn)行局部調(diào)光或關(guān)斷操作的LED陣列 (對于46英寸顯示器而言，LED的數(shù)目多達(dá)1600個(gè)) 提供了幾乎比CCFL設(shè)計(jì)高出一個(gè)數(shù)量級的對比度比 (>4000cd/m2)。此外，通過調(diào)節(jié)背面照明LED串的亮度，還可以復(fù)制更多的中間色調(diào)，從而使得圖像更加生動逼真。

能夠在局部位置將LED完全關(guān)斷的另一個(gè)好處是可以減少運(yùn)動模糊。通過在幀與幀之間將LED完全關(guān)斷，由快速運(yùn)動物體所引起的圖像模糊實(shí)際上將被消除。在解決CCFL背面照明LCD TV所常見的這種快速運(yùn)動模糊問題的過程中，LED的快速響應(yīng)速率是至關(guān)重要的。

要想使LED背面照明HDTV成為可行方案，關(guān)鍵因素之一便是LED驅(qū)動器IC。由于每塊顯示屏包含如此之多的LED，因此LED驅(qū)動器電路必須具有非常高的效率，否則顯示器將產(chǎn)生嚴(yán)重的熱問題，并需要采用體積龐大的散熱器，這與消費(fèi)者期盼平板HDTV外形更平、重量更輕的愿望是背道而馳的。此外，這些驅(qū)動器IC還必須能夠提供非常寬的調(diào)光比 (高達(dá)5000:1)，以實(shí)現(xiàn)所需的寬對比度比。最后，整個(gè)LED驅(qū)動器解決方案必須非常緊湊，以造就大多數(shù)HDTV消費(fèi)者所要求非常扁薄的款式。

凌力爾特的LT3595降壓模式LED驅(qū)動器具有16個(gè)單獨(dú)的通道，每個(gè)通道能夠從高達(dá)45V的輸入來驅(qū)動由多達(dá)10個(gè)50mA LED所組成的LED串。每個(gè)通道可被用來驅(qū)動一串 (10個(gè)) LED，以提供局部調(diào)光。每個(gè)LT3595能驅(qū)動多達(dá)160個(gè)50mA白光LED。一臺46英寸LCD TV將需要大約10個(gè)LT3595 (依據(jù)HDTV標(biāo)準(zhǔn))。其16個(gè)通道均可進(jìn)行獨(dú)立控制，并且具有一個(gè)單獨(dú)的PWM輸入，該輸入能夠提供高達(dá)5000:1的PWM調(diào)光比。

每個(gè)通道僅需要一個(gè)片式電感器和一個(gè)甚至更加小巧的陶瓷輸出電容器。其他的必需元件僅為單個(gè)輸入電容器和用于確定電流的設(shè)定電阻器 (圖5)。具箝位二極管、電源開關(guān)以及具補(bǔ)償功能的控制邏輯電路所有16個(gè)通道均被整合在LT3595較小的56引腳、5mm x 9mm QFN封裝之中。

圖5：一個(gè)用于從45V輸入來驅(qū)動160個(gè)白光LED的16通道LED驅(qū)動器。PWM調(diào)光比為5000:1。

  LT3595擁有92%的峰值效率 (在2MHz開關(guān)頻率條件下)，因而免除了增設(shè)外部散熱裝置的需要。

圖6：圖5所示的160-LED驅(qū)動器的效率高于92%。

   LT3595的PWM調(diào)光能力高達(dá)5000:1。圖7示出了5000:1 PWM調(diào)光波形和一個(gè)外觀非常方的LED電流波形。即使在接通時(shí)間僅為2μs的情況下，一個(gè)20mA LED電流仍然與100Hz PWM信號同步地接通和關(guān)斷。降低PWM頻率可以實(shí)現(xiàn)較高的PWM調(diào)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(diào)光波形

   所有16個(gè)通道的滿LED亮度均利用單個(gè)外部電阻器來設(shè)定。每個(gè)通道具有相同的編程LED電流 ─— 設(shè)定在10mA至50mA之間。各通道之間的LED電流準(zhǔn)確度在8%以內(nèi)。True Color PWM調(diào)光采用了一個(gè)減小的占空比，旨在提供準(zhǔn)確的調(diào)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(gè)很寬輸入和輸出電壓以及電流范圍內(nèi)提供了穩(wěn)定的操作。對流過用于每個(gè)通道的內(nèi)部檢測電阻器和內(nèi)部開關(guān)的LED電流的直接控制，以及用于每個(gè)通道的控制電路提供了適合LED驅(qū)動的卓越恒定電流源調(diào)節(jié)性能。內(nèi)部100mA電源開關(guān)和56引腳QFN封裝的裸露散熱襯墊提供了足以處理16個(gè)通道的功耗和發(fā)熱量 (在50mA電流條件下) 的電源管理和熱管理。

結(jié)論

   由于LED照明應(yīng)用在汽車和LCD HDTV中的普及速度空前提高，因此對高電流LED應(yīng)用中的LED驅(qū)動器IC產(chǎn)生了許多非常特殊的性能要求。在汽車?yán)?，這些應(yīng)用多種多樣，從車前燈到內(nèi)部照明等不一而足。在HDTV中，LED提供了一種精細(xì)得多的局部調(diào)光法，從而極大地改善了圖像質(zhì)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(yīng)用也非常普遍，它們同樣具有大多數(shù)這些高性能要求。這些LED驅(qū)動器還必須能夠提供恒定的電流 (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)、必須實(shí)現(xiàn)高工作效率，并提供寬調(diào)光比。另外，這些應(yīng)用還需要占板面積非常緊湊、且散熱效率很高的解決方案。面對汽車、HDTV以及眾多其他LED設(shè)計(jì)要求，凌力爾特公司迎難而上，開發(fā)出了一個(gè)高電流LED驅(qū)動器產(chǎn)品系列。如今，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師擁有了一個(gè)適合其復(fù)雜照明設(shè)計(jì)的簡易且現(xiàn)有的LED驅(qū)動器。