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第2章 LED 驅動基礎知識
2.1 LED驅動拓撲結構簡介
LED按照應用可以分為照明、背光和顯示三大類別。大多數的LED驅動電路都屬于下列拓撲類型：降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC和反激式拓撲。為了實現更加高效的LED照明,需要有新的拓撲結構來提供解決方案,從反激式拓撲結構轉向諧振半橋拓撲結構,可以充分發揮零電壓開關拓撲結構(ZVS)的優勢。除此之外還有簡易的限流電阻器或線性穩壓器來驅動LED,但是此類方法通常會浪費過多功率。LED照明應用的主要設計挑戰包括以下幾個方面：散熱、高效率、低成本、調光無閃爍、大范圍調光、可靠性、安全性和消除色偏。這些挑戰需要綜合運用適當的電源系統拓撲架構、驅動電路拓撲結構和機械設計才能解決。
表1 LED驅動常用拓撲結構圖
不管LED照明系統的輸出功率有多大,LED驅動器電路的選擇都將在很大程度上取決于輸入電壓范圍、LED串本身的累積電壓降、以及足以驅動LED所需的電流。這導致了多種不同的可行LED驅動器拓撲結構,如降壓型、升壓型、降壓-升壓型和SEPIC型、反激式拓撲、諧振半橋拓撲結構。每種拓撲結構都有其優點和缺點。
LED驅動電路相關的設計參數包括輸入電壓范圍、驅動的LED數量、LED電流、隔離、EMI抑制以及效率等。總的看來LED照明設計需要考慮以下幾方面的因素：
輸出功率：涉及LED正向電壓范圍、電流及LED排列方式等
電源：AC-DC電源、DC-DC電源、直接采用AC電源驅動
功能要求：調光要求、調光方式(模擬、數字或多級)、照明控制
其他要求：能效、功率因數、尺寸、成本、故障處理(保護特性)、要遵從的標準及可靠性等
更多考慮因素：機械連接、安裝、維修/替換、壽命周期、物流等
2.2 LED照明驅動
LED照明符合節能環保的大趨勢,前景比較明朗,雖然背光、顯示技術發展多年,方案相對成熟,但在市場熱度上不如照明,而且在很多相關消費電子市場(如手機背光)競爭強度大,對成本要求高,價格戰頻發,利潤空間受到較大限制。有人認為也許就在2-3年中,LED照明技術將有突破性進展,市場會大規模啟動。與此同時LED照明的應用不斷拓寬,新的市場不斷涌現。也許大功率路燈、普通照明等市場起步比較慢,但你會發現一些小功率的照明市場在快速發展,比如裝飾照明、便攜產品照明等等。
美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態照明(SSL)規范：
美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態照明(SSL)規范中規定任何功率等級皆須強制提供功率因數校正(PFC)。這標準適用于一系列特定產品,如嵌燈、櫥柜燈及臺燈,其中,住宅應用的LED 驅動器功率因數須大于0.7,而商業應用中則須大于0.9;但是,這標準屬于自愿性標準。歐盟的IEC61000-3-2 諧波含量標準中則規定了功率大于25 W 的照明應用的總諧波失真性能,其最大限制相當于總諧波失真(THD) 0.94。
雖然不是所有國家都絕對強制要求照明應用中改善功率因數,但某些應用可能有這方面的要求,如公用事業機構大力推動擁有高功率因數的產品在公用設施中的商業應用,此外,公用事業機構購入/維護街燈時,也可以根據他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(通常 0.95+)。
美國能源部能源之星近期發布了其集成LED燈(該燈通常要擰入ANSI標準化燈座,與當今市面上的大多數白熾燈類似)提議標準的修訂草案3,其中規定對于功率≤5W的燈泡,對最小功率因數不作要求,對于功率 5W的燈泡,功率因數必須≥ 0.70。
LED照明系統拓撲架構選擇：
LED照明系統架構選擇取決于你的設計目標是低成本、高效率還是最小PCB面積。一般來說,小于25W的LED照明系統不要求進行功率校正,因此可以采取簡單一些的拓撲架構,如PSR或Buck拓撲。25W-100W的LED照明應用要求進行功率校正,因此一般采用單級PFC、準諧振(QR)PWM或反激式拓撲。100W以上LED照明應用一般采用效率更高的LLC拓撲和PFC。從效率角度來看,LLC和QR性能更好;而PSR方案無需次級反饋,設計簡單,尺寸也比其它方案小。”
就DC-DC解決方案而言,其中,標準降壓型轉換器是最簡單和最容易實現的方案,升壓型和降壓-升壓型轉換器次之,而SEPIC型轉換器則最難實現,這是因為它采用了復雜的磁性設計原理,而且需要設計者擁有高超的開關模式電源設計專長。終端產品的應用決定LED的拓撲結構,然后再根據LED的拓撲結構和輸入電源再合理選擇Buck、Boost、SEPIC(較少用)、或Buck-Boost結構。“一般來說,25W以下選用Buck的較多。更大功率的則傾向于選擇Boost結構。效率的話兩者一般都可以做到85%以上,小功率的LED燈盡量采用集成度高的方案。大功率的方案要選用技術集成度高的產品。
2.3 LED背光驅動
LED背光在手機、數碼相機、PowerDVD等小尺寸屏上的應用已經非常成熟,近幾年也不會有很高的年復合增長率。隨著LED光通量的提高、成本的降低以及LED具有的綠色環保(CCFL背光含汞)、色域范圍廣、可進行局部調光等特性,符合目前LCDTV高清節能的發展需求。因此背光的增長點將在筆記本、液晶電視等中大尺寸屏上的應用。
移動手持等顯示產品背光LED驅動IC的選擇,按LCD的面積來設定需要LED點光源的個數;按LED的N串N并的點亮方式來選擇不同工作原理、不同輸出能力的LED驅動IC;1.8英寸～3.5 英寸手機用LCM其LED點光源是2顆～4顆LED;3.5英寸～8.0英寸MP3、MP4、PDP、GPS、PND、DPF用LCM其LED點光源是6顆～28顆LED;12.1英寸～15.4英寸筆記本電腦用LCM其LED點光源是48顆～60顆、60顆～72顆LED;手機有RF怕干擾,因此大多數不選用以電感器為電能儲存器的DC/DCBoost;沒有RF 的消費電子產品,大多選用DC/DCBoost,因其能輸出較高電壓和有較高效率。常用LED驅動IC的有電荷泵(Charge Pump)、恒流源(Constant current)、電感升壓開關穩壓器(DC/DC Boost)。下面是移動手持顯示產品背光驅動IC的選擇表。
表2移動手持顯示產品背光驅動IC的選擇
2.4 LED 顯示屏驅動
LED顯示屏作為一項高科技產品引起了人們的高度重視,采用計算機控制,將光、電融為一體的智能全彩顯示屏已經在廣泛領域得到應用。其像素點采用LED發光二極管,將許多發光二極管以點陣方式排列起來,構成LED陣列,進而構成LED屏幕。通過不同的LED驅動方式,可得到不同效果的圖像。因此LED驅動芯片的優劣,對LED顯示屏的顯示質量起著重要的作用。LED驅動芯片可分為通用芯片和專用芯片。通用芯片一般用于LED顯示屏的低端產品,如戶內的單、雙色屏等。
圖4 LED顯示屏系統的基本結構
目前,LED顯示屏專用驅動芯片生產廠家主要有TOSHIBA(東芝)、TI(美國德州儀器公司)、SONY(索尼)、MBI(聚積科技)、SITI(點晶科技)等。在國內LED顯示屏行業,這幾家的芯片都有應用。
由于LED是電流特性器件,即在飽和導通的前提下,其亮度隨著電流大小的變化而變化,不隨著其兩端電壓的變化而變化。專用芯片的最大特點是提供恒流源輸出,保證LED的穩定驅動,消除LED的閃爍現象。具有輸出電流大、恒流等特點,適用于要求大電流、高畫質的場合,如戶外全彩屏、室內全彩屏等。
LED顯示屏的驅動一般是多通道恒流源(目前多數為16通道)再加上灰度控制等功能,IC上不集成DC/DC等電源模塊,而在背光和照明驅動中,通道數會少一些,而且DC/DC轉換模塊通常是IC的一部分。LED顯示屏非常注重屏的刷新速度和圖像表現能力,高匹配度、高刷新率和高分辨率成為判斷一個LED顯示屏性能優劣的重要指標。這要求LED顯示屏驅動IC通道間電流的高一致性、高速的通信接口速率以及恒流響應速度。顯示屏驅動的技術著重于LED灰階線性度及快速的輸出響應。背光廠則采用多并多串的架構使得需要的操作電壓高達50V～60V,這會使驅動IC所需要的工藝技術提高,在串高電壓后每個LED的VF的差異度便需要列入考慮,這對整體的電源效率及定電流(ConstantCurrent)控制會有很大的影響。 下表為LED顯示屏幕驅動關鍵指標。
表3 LED顯示屏幕驅動關鍵指標
2.5 LED汽車照明驅動
對汽車應用來說,LED有極大的吸引力,長壽命、抗震、高效、對光源良好的控制能力,都是它的優勢。當然,相對于白熾燈,LED需要驅動電路,還有汽車電氣是靠酸鉛蓄電池供電的,是機械驅動的交流發電機充電,這類電池適合白熾燈,不適用LED,因此,設計一種穩壓性能良好而又低噪聲的驅動電路是十分必要的。汽車電源的變化范圍是很大的,在8V-18V之間,峰值電壓可達幾十伏。此外,高亮度LED驅動電流大,會在電阻上產生大量的熱量,使散熱設計復雜化。
圖五所示是現代汽車中的各種LED照明應用。在汽車內部,有幾種采用各種類型LED的“標準內置”照明模塊。有些是單個LED,而像導航儀表板背光照明等另一些應用則需要LED陣列。在外部照明方面,LED也得到了認可。現在超過40%的中央高位剎車燈已經采用紅光LED。另外,奧迪(Audi)2008 A8采用大電流LED陣列作為白天行車燈(DRL)。雷克薩斯(Lexus)600轎車和奧迪R8包括前燈在內的全部外部“前向照明”都是由LED完成的。類似地,甚至更多中檔汽車和很多摩托車也采用了彩色LED陣列作為剎車/轉向信號指示燈。
圖5 LED照明在現代汽車中的典型應用
下圖為汽車照明驅動系統結構圖
圖6 汽車照明驅動系統結構圖
下表為汽車照明驅動常用拓撲結構表格
表4汽車照明驅動常用拓撲結構表
2.6 調光技術-模擬、PWM和TRIAC調光
LED調光解決方案及規范一直在不斷變化,直到現在還未固定下來,所以現在市場上存在PWM、模擬及可控硅(TRAIC)三種調光方案。
PWM和模擬方法是其中較簡單的,但需要構建調光基礎架構和新的調光控制器。模擬調光方案的缺點是,LED電流的調節范圍局限在某個最大值至該最大值的約10%之間(10:1調光范圍)。由于LED的色譜與電流有關,因此這種方法并不適合于某些應用。PWM調光方案則是以某種快至足以掩蓋視覺閃爍的速率(通常高于100MHz)在零電流和最大LED電流之間進行切換。該占空比改變了有效平均電流,從而可實現高達3000:1的調光范圍(僅受限于最小占空比)。由于LED電流要么處于最大值,要么被關斷,所以該方法還具有能夠避免在電流變化時發生LED色偏的優點,而在采用模擬調光時這種LED色偏現象是很常見的。
關于TRIAC,說法不一：
TRIAC調光是業內非常熱的一個話題,最初,TRIAC調光器是為白熾燈而設計的,但大多數用戶希望相同的TRIAC調光器也能對替代的LED燈進行調光。
觀點一：飛兆半導體公司高壓IC產品行銷經理SangCheol Her表示看好TRIAC調光方案的市場前景,可控硅(TRIAC,2線調光)將成為非常流行的解決方案,因為這種技術可以完全使用傳統的系統而不需任何改變。而且,它還能夠擴展為3線調光,以避免出現與低功率因數值相關的缺陷。”
觀點二：Cytech產品及設計部工程師徐瑞包認為調制方式的選擇不應該決定于LED的功率。而應決定于終端產品的應用要求。比如,顯示背光或者LED裝飾燈可能會選用PWM的調光方式,顏色一致性好,亮度級別高。但是對于一般的家用照明或者商業照明,模擬調光或者TRIAC也可以選擇,不過會產生色偏,并且調光的級別會很低。”Tony Armstrong也指出,最終用戶所采用的調光方法在很大程度上將由LED本身的最終用途來決定。例如,在LED用于給顯示器提供背面照明的汽車信息娛樂系統中,環境照明的亮度變化范圍是非常寬的,既有陽光充足時的無比明亮,也有無月之夜的漆黑一片,可謂千差萬別。由于人眼對于環境照明條件的輕微變化極其敏感,因此需要3000:1的寬調光范圍。這將要求LED驅動器電路采用PWM調光方法。不過,他補充道：“在LED街燈中,由于這種燈常常要么處于接通狀態要么處于關斷狀態,因而只需要一個有限的調光范圍即可。在這種場合中,僅需采用一種簡單的模擬調光法便能滿足要求。”
觀點三：安森美半導體中國區高級應用經理鄭宗前認為市場上TRIAC調光器的應用方案應該只是過渡性的,長遠來說,應該會用PWM調光。主要的三點決定性因素為：1)用PWM 調光從零到最光,都不會有閃爍的現象。2)性能會更好。因為調光輸出功率采用了功率因數校正電路,這是配合全球對燈光采用功率因數有強制性的要求,雖然一般從25 W開始有這要求,但美國要求燈光從零瓦起已需強制性功率因數校正電路。如采用TRAIC調光將犧牲功率因數和增加了電路的復雜性。因此,采用PWM調光可以提供最好性能的選擇,也是未來的趨勢。3)成本會更好。用PWM調整占空比,不需要太多額外的控制電路成本。” 英飛凌科技有限公司電源管理業務部產品市場總監Alexander Sommer也表示看好PWM調光方案前景,他說：“與模擬調光方法相比,LED的PWM調光方法有以下優點：1)效率更高;2)不管調光程度有多大,允許LED一直在優化的和恒定的電流下工組;3)在整個調光范圍內LED顏色色調保持一致(顏色色調像流明輸出一樣隨LED工作電流而變化)。”
為了在連續調光時實現無閃爍,大多數客戶喜歡選擇PWM調光,因為它可提供更大的調光范圍和更好的線性度。取決于你正在使用的調光頻率,閃爍現象可以降到最小。模擬調光更容易實現,因為它只需要一個DC電壓就可以無閃爍地對LED進行調光。對于由多個LED構成的大功率照明應用,確保每個LED具有均勻的亮度且不產生任何閃爍也成為了主要的設計障礙,但PWM方法很容易解決調光時的閃爍問題。
如前所述,小于25W的LED照明應用主要是替換標準白熾燈和鹵素燈。在這一功率范圍上,最可能的一個應用就是替代由基于TRIAC(雙向可控硅)的逐步削減入墻式調光器控制的白熾燈或節能燈。目前市場上有前沿和后沿削減調光器,這為整體兼容性帶來了挑戰,因為從EMI的角度來看TRIAC調光是很差的。
“對于要求最佳性價比的非調光應用,使用像英飛凌NCP6561這樣的DCM PFC的單級PFC反激拓撲是一個合適的選擇。”英飛凌科技有限公司電源管理業務部產品市場總監Alexander Sommer認為,“25W及以上功率范圍LED照明應用面向更多的專業市場。調光控制方法的選擇將取決于它是替代型還是新安裝型。數字照明控制(如DALI或無線解決方案)允許對調光水平進行更精確的控制、以及更多的功能,如日光下調光和占空比感應。替代型安裝可能要求兼容舊的模擬1-10V調光控制器。
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