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

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)過死區(qū)時(shí)間后開通，電感L2和輸出電容COUT向負(fù)載釋放儲(chǔ)存的能量。VIFB開始下降，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，起開路保護(hù)和調(diào)光的作用，當(dāng)輸入該引腳的電壓超過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，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）電路和開關(guān)電源的輸出功率足夠大，導(dǎo)致成本增加。單級(jí)單開關(guān)型LED驅(qū)動(dòng)電路直接采用220V市電，不需要開關(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)電路無需變壓器。圖7是基于HV9931的單級(jí)單開關(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，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L2的電流流過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)，直到新的開關(guān)周期開始，Q1導(dǎo)通。在AC線路周期之內(nèi)，可以認(rèn)為開關(guān)占空比D和開關(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)開關(guān)管，因此開關(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)力過高；（5）功率轉(zhuǎn)換效率較低。

為了改善單級(jí)單開關(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）采用軟開關(guān)、直接功率轉(zhuǎn)換等方法提高功率轉(zhuǎn)換效率。