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功率電感:完善的設計LED驅動電路

2016/4/28

  一般而言,絕大多數(shù)的中小尺寸面板,都是利用3~10顆的白光LED,采用串連的方式來作為背光光源,甚至于手機或PDA的鍵盤背光也多是利用LED作為輔助照明之用,再加上歐盟對于無化的要求,因此對于更新一代的LED的驅動芯片和技術,也就相當?shù)乇皇袌鏊诖?/p>

  由于傳統(tǒng)的冷陰極管是利用交流驅動,所以在整個的驅動線路較為復雜,并且需要INVERTER(反向器),將產(chǎn)品機構中所使用的直流電,轉換成高壓交流電來驅動,所以,在低耗電、電路簡單化、演色要求下,在中小面板的部分,采用白光LED來作為背光源已經(jīng)相當普及了,并且白光LED除了有體積小、高亮度的優(yōu)點外,驅動電路也較冷陰極管簡單。在多色LED電路驅動設計部分,大部分都是利用場序交互點燈的驅動方式,藉此得以形成所謂的“FieldSequence”。好處是,可以讓多色LED與液晶面板的Sub-Pixel、彩色濾光片來達到同步,達到更廣的色彩表現(xiàn)范圍,不過就整體結構的部分,需要搭配多色LED重新設計,因為包括,導光板、色轉換電路等等,傳統(tǒng)的部分組件都需要重新開發(fā),雖然原件的材料上沒有太大不同,但是結構上卻需要配合LED的點光源特性重新設計。

  依需求發(fā)展出多元化的驅動方式

  對于驅動白光LED來說,電路本身需要供給白光LED固定的電壓或固定的電流,而當可攜式產(chǎn)品開始運作后,就會產(chǎn)生電壓下降的現(xiàn)象,因而需要升壓組件來進行升壓、穩(wěn)壓。大部分的電路設計多采用電容來維持穩(wěn)壓,這是考慮到避免升壓零件工作時,對于射頻帶來一些影響,所以,就整體的電路來說,穩(wěn)壓設計是相當重要的設計,來提供白光LED驅動所需要穩(wěn)定電壓電流,而就對于白光LED驅動的部分,在本身的電路設計上,也發(fā)展出多元化的驅動方式,保護相關組件以及提供所需的亮度。

  因為LED的特性是利用電流來驅動的特性,所以LED的亮度表現(xiàn)與順向電流有等比的依存關系,所以對于LED亮度的調(diào)整就必須有效的控制順向電流變化,目前可以利用調(diào)整電流檢測電阻,以及整流電阻來達到控制順向電流。

  采用整流電阻的目的是確保順向電流都能夠流向LED芯片,不過這樣的做法會因為順向電壓的改變,影響順向電流的強弱,會造成順向電壓的改變有很多因素,例如溫度等等,這些都會使得LED亮度受到影響,產(chǎn)生功耗的浪費以及縮短電池的壽命。

  然而采用整電流檢測電阻來確保順向電流變化的做法,相較之下是比較好的,因為使用電流檢測電阻可以確保流向LED的順向電流,也因此可以消除順向電壓變化所帶來的影響,如果期望改變LED順向電流的話,只需調(diào)整電流檢測電阻即可,不需要對整個輸入電源進行改變。另一個好處是,如果驅動多個LED時,只需要將多個LED進行串聯(lián),因為電流檢測電阻的作用關系,因此也可以確保流入每個LED的電流都是固定的,但是這樣的做法對于并聯(lián)的LED,并不適當,因為必須在每個并聯(lián)的LED中安置一個電流檢測電阻,當然缺點就是成本會因此而增加,并且效率也會大打折扣,當然也會影響電池的使用壽命。

  所以事實上,設計完善的LED驅動電路,不僅僅是確保LED的亮度能夠維持,更重要的是能夠保護電池的使用壽命,來增加可攜式產(chǎn)品在無來電源情況下的使用時間。另外還有一點是相當重要的,因為一般都是利用輸出功率除以輸入功率,來判定電源效率,但是對于LED驅動而言,在期望獲得亮度的情況下來定義輸入功率,所以并不能采用輸出功率除以輸入功率的方式,而是必須將LED功率除以輸入功率,所得到的結果才是正確的效率測量。

  利用傳統(tǒng)模擬與PWM方式進行調(diào)光

  大多數(shù)的可攜式產(chǎn)品,對于面板的背光都設計有調(diào)光功能,也就是說,在有無交流供電、待機模式等等的情況下,都會對背光的亮度進行調(diào)整,來減少耗電,延長電池的使用時間,目前有PWM或者模擬(電壓調(diào)整法)等兩種的方式來對白光LED進行電流的控制與驅動,達到點滅控制、多段式亮度等等。

  模擬的電壓調(diào)整方法,就是單純的改變輸入電流,也就是說,所改變的輸入電流比例也就直接地影響白光LED的明暗,這樣的方式如果對于電流量的操控不夠的話,些許的電壓變化會造成輸入電流產(chǎn)生變動,而使得白光LED難以達到所預期的亮度,但是如果要能夠的讓白光LED產(chǎn)生期望亮度的話,那么就需要相當復雜的電路設計,此外因為過大的電流,這會使得設計困難度與成本都大幅度的增加,此外還會對白光LED的波長產(chǎn)生影響,出現(xiàn)LED顏色偏移,一般而言使用,模擬電壓調(diào)整方式的情況不大多見,所以目前大多是利用PWM的方式來進行調(diào)光。PWM是利用改變白光LED的DutyCycle,改變周期百分比、頻率來進行控制亮度,因此利用PWM調(diào)光可以達到相當精細的調(diào)整,不過,采用PWM方式的話,必須將工作頻率提高到100Hz,因為如果低于100Hz的話,就會被眼睛察覺出PWM的脈沖現(xiàn)象,因此電源啟動與響應時間是關鍵的條件。

  降壓式驅動與升壓式驅動各有優(yōu)缺

  利用PWM調(diào)光的方式,有兩種類型,包括升壓式和降壓式,一般而言較多人使用升壓式的驅動設計,這也意味著可以利用低于3V的電源來驅動白光LED,達到減少由電池所占據(jù)的體積,完成輕薄的產(chǎn)品設計。

  采用升壓驅動方式的好處是,如果FET毀損不會導致LED也被燒毀、輸入電流的濾波比較簡單、可以簡化LED電流的偵測、簡化PWM調(diào)光控制負擔,根據(jù)業(yè)者的評估,升壓電路的效率可以高達90%左右。但是也是有缺點,升壓式的驅動設計,由于本身并不具有固定電流功能,如果當電壓超過限值時,有可能會對LED或者電路中其它組件造成損毀。

  目前,升壓電路可以利用2種模式來完成:連續(xù)導通模式,以及不連續(xù)導通模式。這2種模式都是利用電感電流的波形來決定。連續(xù)導通模式是用在,輸入電流大于1安培時,輸出電壓與輸入電壓比值小于或等于6,如果需要更大的輸出電壓與輸入電壓比就必須采用不連續(xù)導通模式,不過不連續(xù)導通模式產(chǎn)生較大的電流,有可能造成電感的毀損,也會讓均方根電流增加,因此兩者相較之下,不連續(xù)導通模式的效率較低。

  而至于降壓式的驅動設計,也有工程設計師偏愛使用,降壓驅動的優(yōu)點是,結構比較簡單,并且成本也不至于太高,不過部分設計不佳的降壓驅動芯片解決方案,當面對驅動電壓較高時,會產(chǎn)生較大的功耗,使得電池的使用壽命減少,并且會產(chǎn)生高熱的情況。所以,目前有業(yè)者開始開發(fā)具有固定電流功能的降壓白光LED驅動芯片,避免因為驅動電路出現(xiàn)問題時,過高的電流造成LED損毀。

  過壓保護延長電池的使用壽命

  就如前述,對于白光LED驅動而言,佳的狀況是電源電路能夠提供穩(wěn)定的電壓以及電流,來驅動白光LED,但是在電路的運作過程中,難免都會出現(xiàn)突波現(xiàn)象,如果負載電阻增大,相對的電源的輸出電壓也必須隨之增加,所以對于利用固定電流驅動的白光LED,就必須設計出過壓的保護措施,在出現(xiàn)過大負載時,也都能維持固定的電流提供LED驅動。目前提供過壓保護這一方面,可以利用穩(wěn)壓二極管與LED進行并聯(lián),這樣可以將電壓維持在穩(wěn)壓二極管大承受范圍之內(nèi),當出現(xiàn)電壓高于穩(wěn)壓二極管擊穿點的過壓的現(xiàn)象時,可以讓電壓流到電流檢測電阻,藉此保護白光LED組件,所以利用穩(wěn)壓二極管和白光LED組件并聯(lián)的方式可以確保流入白光LED的電壓電流值都在固定的狀態(tài)。此外也有設計者利用監(jiān)控的方式來維持電源的穩(wěn)定,透過監(jiān)控機制的管理,當出現(xiàn)電源過壓的情況時,立即關閉電源,來保護白光LED組件,并且可以延長電池的使用壽命。

  斷電機制經(jīng)常被工程師所遺忘

  斷電機制也是LED驅動電路設計中,需要考慮的機制之一,不過卻會被工程師遺忘,而產(chǎn)生縮短產(chǎn)品使用壽命的情況。

  因為在電壓轉換器斷電期間,還是會出現(xiàn)負載經(jīng)由電感以及二極管連接著輸入電壓,這是由于輸入電壓與LED處于連接的狀態(tài)下,即使是電源不再供應,但是還是會產(chǎn)生些許的電流,如此處在經(jīng)常都是如此狀況下的話,那么漏電流就會對電池帶來影響,使得電池的使用壽命大幅縮短。因此負載斷開的設計,對于整體的電路來說,還是有存在的必要性。

  另外,如果沒有負載斷開機制的話,還會對PWM調(diào)光的部分帶來影響,因為當電源不提供電流時,輸出電容還是會和白光LED連接著,所以,電力仍舊會慢慢地流向白光LED,當電源被打開,PWM調(diào)光機制重新運作的時候,電容在每個PWM循環(huán)開始時,都會產(chǎn)生放電的現(xiàn)象,并且將輸出電容充電,因此當每個PWM循環(huán)開始時,就會出現(xiàn)突波脈沖,如果此時過壓保護機制設計不佳的話,那么就會直接對白光LED造成程度不一的傷害。此外,突波脈沖更會使得整個的系統(tǒng)效能下滑。所以,在電源電路中加入斷電機制時,LED就會與電源隔絕,當電源不再提供電力時,就不會出現(xiàn)漏電流的現(xiàn)象,并且PWM進行重新運作時,因為電容都是充滿電力的情況,也不至于突波脈沖。

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