大功率背光源用LED驅(qū)動(dòng)電路的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

摘要：結(jié)合具體的LED驅(qū)動(dòng)電路控制芯片，對(duì)峰值電流控制型、平均電流控制型、單級(jí)單開(kāi)關(guān)非隔離型LED驅(qū)動(dòng)電路的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和性能改進(jìn)措施做了論述。給出了采用頻率抖動(dòng)技術(shù)的LED驅(qū)動(dòng)電路的傳導(dǎo)EMI峰值及平均值測(cè)量結(jié)果和基于IR2540的平均電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路的工作波形及效率測(cè)量結(jié)果，并對(duì)脈沖恒流源型LED驅(qū)動(dòng)電路的原理做了簡(jiǎn)要的介紹，最后從恒流精度、效率、成本3個(gè)方面綜合分析了LED驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展趨勢(shì)。

1引言

作為L(zhǎng)CD的背光源，LED現(xiàn)在已顯露出取代CCFL的趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的CCFL相比，LED背光源具有色域?qū)挕⑸蔬€原性好、可控性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、不含汞蒸氣和其他有害氣體等優(yōu)點(diǎn)。LED背光源還能實(shí)現(xiàn)CCFL無(wú)法相比的分區(qū)域色彩和亮度調(diào)節(jié)功能，從而更加精確地實(shí)現(xiàn)色彩還原和畫(huà)面的動(dòng)態(tài)調(diào)整，在顯示不同畫(huà)面時(shí)，可以使亮度與對(duì)比度進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，以實(shí)現(xiàn)更好的畫(huà)質(zhì)。

據(jù)預(yù)測(cè)，到2013年，將有90%的筆記本電腦和40%的液晶電視使用LED背光源。由于LED是一個(gè)低壓非線性半導(dǎo)體器件，LED的正向電壓會(huì)隨著電流和溫度的變化而變化，需要有驅(qū)動(dòng)電路才能保證其穩(wěn)定可靠地工作，因此，研究大功率背光源用LED驅(qū)動(dòng)電路的解決方案，是一項(xiàng)具有前沿性和現(xiàn)實(shí)性的工作。

目前，大功率背光源用LED驅(qū)動(dòng)電路有峰值電流控制型、平均電流控制型、單級(jí)單開(kāi)關(guān)型3種類(lèi)型，這3種LED驅(qū)動(dòng)電路各有特點(diǎn)。本文結(jié)合具體的LED驅(qū)動(dòng)電路控制芯片，從原理、優(yōu)缺點(diǎn)、性能改進(jìn)措施等方面對(duì)這3種類(lèi)型的LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了分析，并對(duì)正處于研發(fā)階段的高性能脈沖恒流源型LED驅(qū)動(dòng)電路的原理做了簡(jiǎn)要的介紹，最后分析了大功率背光源用LED驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展趨勢(shì)。

2峰值電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路

峰值電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路目前應(yīng)用最為廣泛，這種電路的效率可達(dá)90%以上，而且具有電路簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)。HV9982是這種電路的典型控制芯片。HV9982有三路輸出，R、G、B各一路，最高輸入電壓為40V，最多可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)54顆LED，具有輸出短路保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)、Hiccup模式保護(hù)功能。圖1是HV9982的應(yīng)用電路。圖中只畫(huà)出了一路輸出，其余兩路輸出與這一路相同。

圖1HV9982應(yīng)用電路

HV9982的工作原理為：L1、D2、Q1、C14組成Boost升壓變換器電路，CS引腳檢測(cè)流過(guò)Q1的電流，當(dāng)流過(guò)Q1的電流超過(guò)一定值時(shí)，Q1關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)恒流輸出。Q2起輸出過(guò)壓保護(hù)和調(diào)光的作用，OVP引腳用來(lái)檢測(cè)過(guò)電壓，當(dāng)此引腳的電壓超過(guò)5V時(shí)，Q2關(guān)斷，同時(shí)HV9982內(nèi)部的計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)完成后，再次檢測(cè)OVP引腳上的電壓是否超過(guò)5V，不超過(guò)則Q2導(dǎo)通，超過(guò)則Q2繼續(xù)關(guān)斷，如此重復(fù)。調(diào)光時(shí)，當(dāng)PWMD引腳為高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通；當(dāng)PWMD引腳為低電平時(shí)，Q2關(guān)斷，將LED從電路中斷開(kāi)，防止輸出電容通過(guò)LED放電。改變PWMD引腳調(diào)光信號(hào)的占空比，就可調(diào)節(jié)LED的亮度。

峰值電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路雖然具有電路簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的缺點(diǎn)，具體表現(xiàn)在：

（1）電路可能會(huì)因次諧波振蕩存在運(yùn)行不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，采用斜坡補(bǔ)償可以解決這個(gè)問(wèn)題，但是如果某些LED驅(qū)動(dòng)芯片不支持振蕩器電容連接，斜坡補(bǔ)償會(huì)很難實(shí)施。另外，斜坡補(bǔ)償也會(huì)引起被檢測(cè)電流與實(shí)際LED電流之間的誤差。有的學(xué)者試圖采用固定關(guān)斷時(shí)間（而不是固定頻率）的工作方式來(lái)解決這一問(wèn)題，這樣雖然可以解決次諧波振蕩問(wèn)題，且占空比也大于50%，但是為了增加占空比就必須降低頻率，從而導(dǎo)致頻率在占空比范圍內(nèi)的大幅波動(dòng)。

（2）對(duì)噪聲敏感，抗噪聲性能差。因?yàn)?strong>電感處于連續(xù)儲(chǔ)能電流狀態(tài)，與控制電壓編程決定的電流、電平相比較，開(kāi)關(guān)器件的電流信號(hào)的上升斜坡通常較小，電流信號(hào)上的較小噪聲就很容易使開(kāi)關(guān)器件改變關(guān)斷時(shí)刻，使系統(tǒng)進(jìn)入次諧波振蕩。

（3）峰值電感電流的大小不能與平均電感電流的大小一一對(duì)應(yīng)，在占空比不同的情況下，相同的峰值電感電流可以對(duì)應(yīng)不同的平均電感電流，在輸入電壓變動(dòng)的情況下，流過(guò)LED的平均電流發(fā)生改變，恒流精度不高。

為了進(jìn)一步提高峰值電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路的性能，目前，研究人員主要在以下幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)：

（1）采用頻率抖動(dòng)技術(shù)改善EMI特性。未采用頻率抖動(dòng)技術(shù)時(shí)，各次諧波較窄而且離散，幅值在諧波頻率處較高。圖2是采用了頻率抖動(dòng)技術(shù)的LED驅(qū)動(dòng)電路的傳導(dǎo)EMI峰值和平均值測(cè)試結(jié)果。采用該技術(shù)可使諧波幅值降低并且變的平滑，高次諧波接近連續(xù)響應(yīng)，減少EMI的效果十分顯著。

圖2傳導(dǎo)EMI峰值和平均值測(cè)試結(jié)果

（2）采用補(bǔ)償峰值電流控制技術(shù)提高LED驅(qū)動(dòng)電路的恒流性能，解決在輸入電壓變動(dòng)的情況下流過(guò)LED的平均電流發(fā)生改變的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)華潤(rùn)矽微科技有限公司推出的PT4107LED驅(qū)動(dòng)電路控制芯片就采用了該技術(shù)。圖3是補(bǔ)償峰值電流控制技術(shù)原理圖。

圖3峰值補(bǔ)償電流控制技術(shù)原理。

3平均電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路

平均電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路克服了峰值電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路可能會(huì)出現(xiàn)次諧波振蕩等不足，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）平均電感電流能夠高精度地跟蹤電流編程信號(hào)；（2）不需要斜坡補(bǔ)償；（3）抗噪聲性能優(yōu)越。

美國(guó)國(guó)際整流器公司（IR）推出的IRS2540是一種平均電流控制型LED驅(qū)動(dòng)芯片，可驅(qū)動(dòng)200V的MOSFET。該LED驅(qū)動(dòng)芯片采用獨(dú)有的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器，可連續(xù)監(jiān)控負(fù)載電流，并通過(guò)時(shí)間延遲滯后控制法，精確調(diào)節(jié)電流，從而提供優(yōu)勢(shì)明顯的平均電流控制功能；內(nèi)置短路保護(hù)功能，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的外部電路實(shí)現(xiàn)開(kāi)路保護(hù)功能，同時(shí)為同步整流設(shè)計(jì)提供一個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)。IRS2540的應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4IR2540應(yīng)用電路。

IR2540的工作原理為：當(dāng)IR2540的HO引腳輸出高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，負(fù)載從電源吸收電流，并在輸出電感L2和輸出電容COUT上儲(chǔ)存能量，同時(shí)IR2540第三引腳上的反饋電壓VIFB逐漸增加，當(dāng)VIFB高于0。5V時(shí)，控制環(huán)在延遲一段時(shí)間后關(guān)斷HO端的輸出。HO關(guān)斷后，LO將在經(jīng)過(guò)死區(qū)時(shí)間后開(kāi)通，電感L2和輸出電容COUT向負(fù)載釋放儲(chǔ)存的能量。VIFB開(kāi)始下降，當(dāng)VIFB低于0。5V時(shí)，控制環(huán)在延遲一段時(shí)間后，HO引腳輸出高電平，LO關(guān)斷。從而達(dá)到穩(wěn)定平均電流的目的。ENN引腳為禁用輸出，起開(kāi)路保護(hù)和調(diào)光的作用，當(dāng)輸入該引腳的電壓超過(guò)2。5V時(shí)，IRS2540處于禁用狀態(tài)。當(dāng)需要調(diào)光時(shí)，將一個(gè)固定頻率、變占空比的信號(hào)加到ENN引腳上，平均負(fù)載電流與占空比有直接線性關(guān)系。如果占空比是50%，可以實(shí)現(xiàn)最大50%的輸出；如果占空比是30%，可以實(shí)現(xiàn)最大70%的輸出。

與峰值電流控制型LED驅(qū)動(dòng)芯片不同，IR2540的頻率自由運(yùn)行并可以通過(guò)快速響應(yīng)輸入和輸出電壓的變化維持電流調(diào)節(jié)，該芯片不需要外部器件來(lái)設(shè)置頻率，頻率是由輸出電感L2和輸出電容COUT以及輸入輸出電壓和負(fù)載電流決定。圖5和圖6分別是負(fù)載6只LED和12只LED時(shí)IRS2540的工作波形，圖中的4個(gè)波形由上到下分別為L(zhǎng)ED的電壓波形、輸入電壓波形、LED的電流波形、LO引腳的電壓波形。這種電路的缺點(diǎn)表現(xiàn)在其效率較低，并且輸出電流和效率隨負(fù)載的變化較大。表1為IR2540應(yīng)用電路在不同負(fù)載情況下的測(cè)試結(jié)果。由表1可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)載為10只LED時(shí)，電路的效率只有68。2%，與峰值電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路90%以上的效率還有一定的差距。

圖5IR2540驅(qū)動(dòng)6個(gè)LED的波形。

圖6IR2540驅(qū)動(dòng)12個(gè)LED的波形。

表1IR2540應(yīng)用電路在不同負(fù)載下的效率。

4單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路

在大屏幕液晶電視和液晶顯示器中，背光源耗電量所占的比重是最大的，如果LED驅(qū)動(dòng)電路采用直流供電，就要求液晶電視和液晶顯示器內(nèi)功率因數(shù)校正（PFC）電路和開(kāi)關(guān)電源的輸出功率足夠大，導(dǎo)致成本增加。單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路直接采用220V市電，不需要開(kāi)關(guān)電源，而且電路簡(jiǎn)單、成本也比較低，應(yīng)用單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路可以顯著降低液晶電視和液晶顯示器的成本。

美國(guó)超科公司推出的HV9931是一種具有有源功率因數(shù)校正功能的單級(jí)單開(kāi)關(guān)非隔離型LED驅(qū)動(dòng)電路控制芯片，采用該芯片的LED驅(qū)動(dòng)電路無(wú)需變壓器。圖7是基于HV9931的單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路，輸出功率為18W，效率可達(dá)78%。由圖7可見(jiàn)，采用HV9931的LED驅(qū)動(dòng)電路具有電路簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。圖7中，L1、C3、D5、D6組成輸入Buck？？boost級(jí)，它與L2、D7、D8組成的輸出Buck級(jí)相級(jí)連，兩個(gè)變換器共用一個(gè)功率管Q1，輸入Buck？？boost工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM），輸出級(jí)則工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM），電路降壓比為兩個(gè)變換器降壓比的乘積。這樣，不用變壓器就可獲得高降壓比。

HV9931的工作原理為：當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，Ll中的電流線性增加，同時(shí)，電容C3為輸出Buck級(jí)供電，流過(guò)L2的電流也線性增加。iL1的電流通路為：D5→L1→Q1→R6;iL2的電流路徑為：C3正端→Ql→R7→LED→L2→D7→C3負(fù)端。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，D6正向偏置，輸入電感電流iL1轉(zhuǎn)入到C3，電流流向?yàn)椋篋5→Ll→C3→D6;同時(shí)，流過(guò)L2的電流流過(guò)D8，iL2流向?yàn)椋篖2→D8→R7→LED。Ll中的電流線性下降，只要降為零，D6則反向偏置，阻止iL1流動(dòng)。在Q1再次導(dǎo)通之前，iL1=0的時(shí)間為L(zhǎng)l的死區(qū)時(shí)間，此時(shí)，iL2繼續(xù)流動(dòng)，直到新的開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始，Q1導(dǎo)通。在AC線路周期之內(nèi)，可以認(rèn)為開(kāi)關(guān)占空比D和開(kāi)關(guān)頻率fs不變，于是，L1的峰值電流iL1（pk）和平均輸入電流直接與輸入電壓成正比：

式中：Iin為輸入電流，Vin為輸入電壓，Reff為有效輸入電阻。

L1中的峰值電流iL1（pk）正比于輸入電壓，平均輸入電流呈正弦波形。因此可獲得單位功率因數(shù)和低輸入電流諧波失真。圖8是輸入電壓和電流波形。

圖8輸入電壓和電流波形

HV9931的PWMD引腳連接到VDD，HV9931正常工作。若PWMD引腳接地或開(kāi)路，則HV9931停止工作。若在PWMD引腳施加一個(gè)TTL兼容方波信號(hào)，則可以獲得PWM調(diào)光。在額定輸出電流下，當(dāng)PWM占空比為5%時(shí)，LED的亮度降低50%。PWM頻率應(yīng)高于100Hz，以使人眼看不到頻閃。通過(guò)施加5%的LED電流，采用模擬（線性）調(diào)光，也可獲得50%的亮度。

單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路是目前的研究熱點(diǎn)，但是還存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：

（1）輸出功率較小，目前只在中小功率場(chǎng)合獲得了一定的應(yīng)用；（2）為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸入電流整形，輸入PFC電感需工作在恒占空比的DCM模式，且PFC級(jí)和DC/DC級(jí)共用一個(gè)開(kāi)關(guān)管，因此開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力大；（3）輸入PFC電感需工作在恒占空比的DCM模式，整流輸入端的高頻電流紋波大，需要的EMI濾波器體積大；（4）為了提高功率轉(zhuǎn)換效率，DC/DC級(jí)一般都工作在CCM狀態(tài)，高輸入電壓和輕載時(shí)，由于輸入能量和輸出能量瞬間不平衡而導(dǎo)致儲(chǔ)能電容電壓應(yīng)力過(guò)高；（5）功率轉(zhuǎn)換效率較低。

為了改善單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路的上述不足，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者提出和嘗試了多種方法和電路拓?fù)洌?/p>

（1）采用輸入PFC電感交錯(cuò)并聯(lián)、輸入PFC電感工作在CCM模式等方法減少輸入電流紋波；（2）采用DC/DC級(jí)工作在DCM模式、變頻控制、母線電壓反饋、串聯(lián)充電并聯(lián)放電拓?fù)涞确椒p少儲(chǔ)能電容電壓應(yīng)力；（3）采用軟開(kāi)關(guān)、直接功率轉(zhuǎn)換等方法提高功率轉(zhuǎn)換效率。

雖然單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路還存在一些不足，但是其電路簡(jiǎn)單、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)亦非常引人關(guān)注，隨著研究的不斷深入，單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路將會(huì)有廣闊的發(fā)展空間。

5脈沖恒流源型LED驅(qū)動(dòng)電路

與上述3種LED驅(qū)動(dòng)電路不同，脈沖恒流源型LED驅(qū)動(dòng)電路供給LED的是脈沖電流，電流脈沖頻率和占空比可以調(diào)整，為L(zhǎng)ED提供充分可控的恒定電流。由于采用脈沖供電，LED處于間歇工作狀態(tài)，LED的發(fā)熱量大幅減少，從而使LED的光衰減少，延長(zhǎng)了LED的壽命。另外，脈沖恒流源充分利用了LED內(nèi)熒光粉的余輝效應(yīng)，不但不會(huì)有光的閃爍現(xiàn)象，還會(huì)進(jìn)一步提高LED的發(fā)光效率。與上述3種LED驅(qū)動(dòng)電路相比，脈沖恒流源型LED驅(qū)動(dòng)電路具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，但是，脈沖恒流源的電路比較復(fù)雜，成本較高，只在小功率的LED驅(qū)動(dòng)電路中獲得了一定的應(yīng)用，大功率的脈沖恒流源型LED驅(qū)動(dòng)電路還處在研發(fā)階段，還沒(méi)有商品化。

6大功率背光源用LED驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展趨勢(shì)

目前LED的效率還比較低，而大功率LED背光源的功率可達(dá)100W以上，所以大功率LED背光源的散熱是一個(gè)非常重要和具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。如果LED驅(qū)動(dòng)電路的效率也比較低，那么不但會(huì)多消耗電能，而且會(huì)加重液晶電視和液晶顯示器的整機(jī)散熱負(fù)擔(dān)。恒流精度直接影響液晶電視和液晶顯示器畫(huà)面的亮度和均勻性，恒流精度當(dāng)然越高越好。與CCFL背光源相比，LED背光源的成本還比較高，這是影響LED背光源推廣應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。低成本的LED驅(qū)動(dòng)電路，有助于降低LED背光源的成本，因此，高效率、高恒流精度、低成本是大功率背光源用LED驅(qū)動(dòng)電路今后的發(fā)展趨勢(shì)。峰值電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路雖然效率高，但是存在電路有可能發(fā)生次諧波振蕩、恒流精度不高、抗噪聲性能差的缺點(diǎn)。平均電流控制型LED驅(qū)動(dòng)電路雖然恒流精度高，但是效率低。脈沖恒流源型LED驅(qū)動(dòng)電路雖然在效率和恒流精度兩個(gè)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，特別是脈沖恒流源型LED驅(qū)動(dòng)電路能使LED的發(fā)熱量大幅減少，這對(duì)簡(jiǎn)化大功率LED背光源的熱設(shè)計(jì)是非常有用的，但是由于其電路復(fù)雜、成本高，目前還沒(méi)有大功率的脈沖恒流源型LED驅(qū)動(dòng)芯片問(wèn)世，其發(fā)展前景目前還很難判斷。單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路具有成本低、電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，而且恒流性能也比較好。應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路的效率還比較低，但它是直接使用220V市電，其他類(lèi)型的LED驅(qū)動(dòng)電路還需要開(kāi)關(guān)電源供電，如果把PFC電路和開(kāi)關(guān)電源的效率計(jì)算進(jìn)去，電路的總效率幾乎與單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路的效率相當(dāng)，甚至還比單級(jí)單開(kāi)關(guān)LED驅(qū)動(dòng)電路的效率還要低。雖然單級(jí)單開(kāi)關(guān)LED驅(qū)動(dòng)電路還存在一些不足，隨著研究的深入，其性能會(huì)不斷提高。綜上所述，目前單級(jí)單開(kāi)關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路是最具有發(fā)展前景的，是當(dāng)今大功率背光源用LED驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展趨勢(shì)。

7結(jié)論

由于LED背光源的諸多優(yōu)點(diǎn)，LED背光源正在進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。LED驅(qū)動(dòng)電路作為L(zhǎng)ED背光源中不可缺少的一部分，其重要性是不言而喻的。本文對(duì)大功率背光源用LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了分析，探討了大功率背光源用LED驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)大功率背光源用LED驅(qū)動(dòng)電路的研究與設(shè)計(jì)具有一定參考應(yīng)用價(jià)值。

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