用于汽车/HDTV背光的高电流LED驱动器设计

    高亮度发光二极管(HB led)市场将以惊人的速度迅速增长，根据法国市场研究机构Yole DevELoppement预测，2012年整体LED的市场规模将达到103亿美元，其中，高亮度和超高亮度LED总共约占44.5亿美元，几乎是2007年7.83亿美元市场规模的5.5倍(以封装式LED为基础)。 
 
    究竟是什么力量驱动其增长潜力？首先，LED的发光效率是白炽灯泡的十倍，同时也是荧光灯的两倍，因此，当提供一个给定的光输出量(单位为流明)时，它所需的电能及产生的热量大幅下降；而随着LED的发展，它从电能产生光通量的效率将继续升高。其次，LED照明毋须要操作、暴露和处理荧光灯泡中常见的有毒汞蒸汽，符合环保概念。第三则是白炽灯泡每1,000小时就须更换，荧光灯泡的使用期限为10,000小时，而 LED的寿命则长达100,000小时以上，促使LED能够被永久嵌入于最终产品或系统中，而毋须采用某种固定物。 

    LED实现高对比度比/高分辨率 

    其中的应用实例包括汽车的车身面板或高画质电视(HDTV)中的液晶显示器(LCD)，因为它们在汽车或HDTV的使用期限内将永远不须更换。此外，LED的面积和高度要比同类替代方案小几个等级，而且可以制作成非常扁平的外形，因此能永久性嵌入于汽车的内部和外部装置及扁平的消费类电子产品中。另外，透过红光、绿光和蓝光LED配置，还可以提供无限多种彩色光。LED的调光和接通/关断操作速度之快，远远超过人类肉眼的分辨能力，因而在背光应用 HDTV及其它类型的显示器中，带来了巨大的改善。如果没有LED，高对比度和高分辨率的HDTV将无法实现。 

    然而，照明系统设计师所面临的最大挑战之一是如何最佳化最新一代LED的优势？由于LED通常需要一个准确而高效的直流电(DC)电流源及一种调光方法，因此，必须设计LED驱动IC以在众多应用中满足这些要求。电源解决方案必须具备高效、功能坚固性、精小和具成本效益等特点。因此对于LED驱动IC而言，汽车应用和大型HDTV 液晶显示器的背光应用是诸多极苛刻应用中的两个实例。 

    由于LED在汽车应用中所拥有的综合优势，各种汽车照明形式已全面采用，从车前灯到仪表盘/导航装置的背光及普通的车身内部/外部照明等一应俱全。传统上一直由冷阴极管(CCFL)提供的HDTV背光应用正在逐渐地被规模较大、能够以单独的LED串调光的高亮度LED阵列所取代，实现精准的局部调光。相较于采用CCFL背光源的传统HDTV，将使对比度比提高一个等级。由于具有局部调光能力和超快的响应时间，因此可以实现LED亮度的实时调节，从而解决在CCFL背光照明HDTV固有的运动图像模糊问题。 

    汽车照明应用逐渐采用LED 

    高亮度LED具备尺寸小、低功耗和快速接通时间等优势，因此被汽车广泛采用的局面。LED在汽车中的初始应用是中央高架停车灯(CHMSL)；此应用使用红光LED提供一个非常扁平的照明阵列，该照明阵列易于安装，而且永远不须要更换。 

    传统上，白炽灯泡是最为经济的光源，且仍被许多汽车所采用。然而，随着可用照明空间的日益缩小及对照明光源使用寿命要求的不断提高，在许多应用中，由LED所提供的灯光色彩和精简型设计方案正迅速取代白炽灯泡。信息娱乐系统中的传统CCFL背光已渐被白光LED阵列取代，白光LED阵列提供了更精准且可调的背光且可轻松超越汽车寿命的使用期限。 

    另外，人们还在利用一种“可操纵”型高电流LED阵列开发车前灯。该领域一直是被卤素/氙灯丝设计所独占的。几乎所有的汽车照明应用(包括车身内部 /外部照明和背光照明应用)都将逐步采用LED。在该环境中使用LED的好处具有诸多积极的含意。首先，LED永远不须更换，因为其长达100,000小时以上的固态寿命(使用年限为11.5年)比汽车的使用寿命还要长。这使得汽车制造商能够把它们永久性地嵌入「车舱内」的照明系统中，而毋须像以往预留用来更换灯丝灯泡的入口。由于LED照明系统不需白炽灯泡所要求的安装深度或面积，因此还可使汽车的造型发生引人注目的显著变化。 

    图1为近期投产的Lexus LS600h LED头灯。奥迪(Audi)的R8和通用汽车(GM)的Escalade也拥有类似的选项。所有这些车辆的总体照明配置都是相似的。每个车前灯部件包含五种专为所有照明要求而最佳化的LED光束，这些光束包括近光、远光、弯道光、昼间行驶灯和方向灯，全由LED来提供。标准光束一般将需要35～50瓦的功率。听起来好像并不太多，但LED提供的光通量是卤素灯的十倍，因此，LED的光输出相当于500瓦卤素灯。远光所需的功率与标准光束相同或稍高，而弯道光、昼间行驶灯和转向讯号需要较少的功率。这些光束均可利用单个HB LED驱动器驱动，由于电能消耗可能超过200瓦，可见采用发热量极少的高效率LED驱动器的重要性。

 
图1　HB LED Lexus LS600h前照灯/方向灯/大灯

LED驱动电路提升产品性能

    为了确保最佳的性能和长久的工作寿命，LED需要一个有效的驱动电路。这些驱动电路必须能够从相当苛刻的汽车电源总线获取工作电源，而且还应兼具成本和空间“效益性”。为了维持其长久的工作寿命，一定不得超过LED的电流和温度限值。 

    大多数前照灯应用都需要大约50瓦的LED电流。有厂商专为此应用而设计能把汽车总线电压(标称值为12伏特)提升至高达60伏特，以驱动多达十四个串联的1安培LED(图2)。

 
图2　采用LED驱动器解决方案的50瓦前照灯电路图

    图3显示某LED驱动器解决方案的效率可高达93%，它免除了对任何功率组件进行散热的需要，从而实现了非常精小的接脚占位。虽然图2中的电路是升压模式架构，但运用了独特的高压侧电流检测设计，使其还能够根据应用的特殊要求而被配置成升压、降压模式、升降压模式或反驰式架构。

 
图3　图2所示电路的效率曲线

    该解决方案的设计是从一个内部调节7伏特电源来驱动一个低压侧外部N通道金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。固定频率、电流模式架构在一个宽广的电源和输出电压范围内实现稳定和精准的运作。若LED驱动器IC想在输入电压不稳定的情况下实现恒定的LED亮度，其设计中必须提供一个定电流源。这对汽车应用特别重要，因为输入电压会在冷启动和负载突降等过程中遇到瞬变而发生巨大摆动，因此，相关解决方案的最大输入电压要求，即使主汽车总线承受瞬态电压的情况下，也要能调节LED电流和电压。 

    此外，一个参考于地电位的电压回馈针脚可充当众多LED保护功能电路(如开路LED保护)的输入，并使转换器产生电压源的作用。一个频率调节接脚则允许使用者在100k～1MHz的范围内进行频率设置，以最佳化效率和性能，同时最大限度地缩减外部组件尺寸。 

    目前相关厂商设计中有True Color脉冲宽度调变(PWM)调光功能可实现高达3,000:1的调光比，而发射光的色彩无变化(图4)，从而使得能够利用PWM的工作周期来对 LED前照灯进行经常性的调节，以适应各种环境条件。由于凌力尔特的高电流LED驱动器是电流模式稳压器，因此它们并非直接调节电源开关的工作周期，而是由回授回路负责在每个周期中控制开关中的峰值电流。相较于电压模式控制，电流模式控制改善了回路动态特性，并提供了逐周期电流限制。

 
图4　图2中True Color PWM调光示意图

    HDTV增长带动　LED背光应用

    汽车中的信息娱乐和导航显示器的LED背光应用刺激了具高调光比的HB LED背光源应用，汽车内部各种环境照明条件使得宽调光比范围成为必需，而在HDTV应用中，这也是产生彩色的最大动态范围所需要的。增长速度最快的消费类电子产品市场之一是平面HDTV。由于消费者需要屏幕较大的HDTV和较高的分辨率，因此这种需求迅速地从等离子体HDTV转移到了LED HDTV。

    根据DisplaySearch预测，等离子体HDTV的销售额于2008年达到颠峰(240亿美元)，而液晶HDTV则在2008年实现750亿美元的市场销售额，并将在2010年以前增长至930亿美元。然而，液晶HDTV存在许多缺点，包括运动模糊和彩色再现性等，也就是说，目前这一代液晶 HDTV无法获得真正的「黑色」，而且提供了所有彩色的一个较低的动态范围。传统HDTV采用CCFL作为背光源，而且仅能提供450～650cd/m2 的对比度比。这些HDTV的主要问题是其不能完全关断CCFL背光源或对之进行局部调光。 

    与此相反，当采用HB LED背光源时，一个能够以背光LED串进行局部调光或关断操作的LED阵列(对于46吋显示器而言，LED的数目多达一千六百个)几乎提供了比CCFL 设计高出一个数量级的对比度比(>4,000cd/m2)。此外，透过调节背光LED串的亮度，还可以复制更多的中间色调，从而使得图像更加生动逼真。

    能够在局部位置将LED完全关断的另一个好处是可减少运动模糊。通过在讯框与讯框间将LED完全关断，由快速运动物体所引起的图像模糊实际上将被消除。在解决CCFL背光液晶电视所常见的快速运动模糊问题的过程中，LED的快速响应速率是相当重要的。 

    要想使LED背光HDTV成为可行方案，关键因素之一便是LED驱动IC。由于每块显示屏包含如此之多的LED，因此LED驱动器电路必须具有非常高的效率，否则显示器将产生严重的热问题，并须采用体积庞大的散热片，这与消费者期盼平面HDTV外形更平、重量更轻的愿望背道而驰。此外，这些驱动器 IC还必须能够提供非常宽的调光比(高达5,000:1)以实现所需的宽对比度比。最后，整个LED驱动器解决方案必须非常精小，以造就大多数消费者所要求非常扁薄的HDTV款式。 

    依据厂商降压模式LED驱动器设计，其具有十六个单独的信道，每个信道能够从高达45伏特的输入来驱动由多达十个50毫安LED所组成的LED串。每个信道可被用来驱动一串(十个)LED以提供局部调光。其十六个通道均可进行独立控制，并且具有一个单独的PWM输入，该输入能够提供高达 5,000:1的PWM调光比。每个通道仅需要一个片式电感和一个甚至更小巧的陶瓷输出电容。其它的必需组件仅为单个输入电容和用于确定电流的设定电阻 (图5)。具箝位二极管、电源开关及具补偿功能的控制逻辑电路所有十六个信道均被整合在较小的五十六接脚、5毫米×9毫米QFN封装之产品中。这样的产品设计拥有92%的峰值效率(在2MHz开关频率条件下)，因而免除了增设外部散热装置的需要(图6)。

 
图5　一个从45伏特输入来驱动一百六十个白光LED的十六信道LED驱动器示意图。(PWM调光比为5000:1)

 
图6　图5所示的160-LED驱动器的效率高于92%

    图7表示5,000:1PWM调光波形和一个外观非常方正的LED电流波形。即使在导通时间仅为2微秒的情况下，一个20毫安LED电流仍然与100Hz的PWM讯号同步接通和关断。降低PWM频率可以实现较高的PWM调光比，但100Hz频率能够确保不出现可见闪烁。

 
图7　图5所示电路的5000:1 PWM调光波形

    所有十六个通道的满LED亮度均利用单个外部电阻器来设定。每个通道具有相同的编程LED电流--设定在10～50毫安之间。各通道之间的LED电流准确度在8%以内。True Color PWM调光采用了一个减小的工作周期，目的在提供准确的调光，而不使发射光的彩色发生任何偏移。固定频率、电流模式控制方案在一个很宽输入和输出电压及电流范围内提供稳定的操作。对流过用于每个通道的内部检测电阻和内部开关的LED电流的直接控制及用于每个信道的控制电路提供了适合LED驱动的卓越恒定电流源调节性能。内部100毫安电源开关和五十六接脚QFN封装的外露散热垫提供了足以处理十六个通道的功耗和发热量(在50毫安电流条件下)的电源管理和热管理。 

    LED照明应用在汽车和LCD HDTV中迅速普及，使得对高电流LED应用中的LED驱动IC产生了许多特殊的效能要求。在汽车中，这些应用从前照灯到内部照明等不一而足。在HDTV中，LED则提供了一种更精密的局部调光法，大幅改善了图像质量。 

    此外，在汽车和HDTV市场以外的众多商业和工业环境中，LED的应用也非常普遍，它们同样具有这些高性能大多数的要求。这些LED驱动器还必须能够提供定电流，以保持均匀的亮度，而不受输入电压或LED正向电压变化的影响，且须实现高工作效率，且提供宽调光比。另外，这些应用还需要接脚占位非常精小及散热效率很高的解决方案。面对汽车、HDTV应用及众多其它LED设计要求，开发高电流LED驱动器产品系列实为重要课题。