多LED陣列的高效驅(qū)動方案

在電器產(chǎn)品中，LED被越來越多地用于產(chǎn)生光，例如，在液晶電視背光應(yīng)用中，LED替代了傳統(tǒng)的冷陰極熒光燈(CCFL)。在工業(yè)及通用照明應(yīng)用中，它逐漸替代了白熾燈、緊湊型熒光燈(CFL)和高強(qiáng)度燈。LED提供的光強(qiáng)與流過LED的電流大小成正比;耗散的功率與電流及LED正向電壓成正比。

光源和功率耗散最好是使用多個小電流的LED來分?jǐn)?，而不是使用可能需要更高成本的PCB和將增加系統(tǒng)總成本的附加散熱的少許大功率LED.例如，在液晶顯示器(LCD)背光應(yīng)用中，白光LED均勻地分布在LCD的一側(cè)或幾側(cè);在LED燈具中，為數(shù)眾多的LED提供了更加散射的照明和在PCB和散熱片上更好的散熱。基于這兩點理由，使用大量LED的方法便很常見了。

驅(qū)動一串LED而非并聯(lián)的多個LED，提供了固有的電流匹配及更少的互連端子。在單一串?dāng)嚅_連接的情況下，照明將會完全停止。因此，較好的措施是引入一些冗余，并且最少并聯(lián)兩串LED.由此帶來的結(jié)果是，偏置LED的陽極電壓降低--這將可以提升安全性。

另一方面，多串配置提供一致的光輸出要求電流匹配。不同串的正向電壓特性可能略有不同，從而需要予以監(jiān)測，因為在使用線性驅(qū)動器時，這可能會導(dǎo)致過多的熱耗散。驅(qū)動器電路檢測LED開路和LED短路故障情況并持續(xù)工作至關(guān)重要。

帶升壓轉(zhuǎn)換器及線性驅(qū)動器的24V直流電源

傳統(tǒng)上，電視機(jī)包含一個提供24VDC的開關(guān)模式電源(SMPS)。相同的電源如今可以連接到DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生正向偏置長LED串所要求的高壓(范圍介于80V與200V之間)。升壓轉(zhuǎn)換器包含一個脈寬調(diào)制(PWM)控制器，例如安森美半導(dǎo)體公司的UC3843或NCP1252.然后，系統(tǒng)使用線性LED控制器，來對多串電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，并為升壓轉(zhuǎn)換器提供反饋，從而將陽極電壓自動調(diào)節(jié)到盡可能地低，以將線性LED驅(qū)動器的功率耗散降至最低(如圖1所示)。工作期間可能出現(xiàn)幾種故障，而需要由控制器來處理。常見的問題包括LED通道開路及LED通道短路。

圖1：帶線性LED驅(qū)動器的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器模塊圖。

LED開路保護(hù)

在過壓或LED串變?yōu)殚_路的情況下，升壓轉(zhuǎn)換器將增加陽極電壓(VOUT)，因為它試圖調(diào)節(jié)流過LED通道的電流。峰值陽極電壓必須限制到一個安全值(即“LED開路電壓”)，從而避免因超過額定電壓而造成升壓電路、其輸出電容或線性驅(qū)動器損壞的情況發(fā)生。

檢測LED開路故障的一種方法，是將陽極端子連到分壓電阻(Ra、Rb)，并將中點連接到低壓比較器(OCA輸入)，如圖1所示。一旦陽極電壓達(dá)到LED開路電壓，LED驅(qū)動器就可以通過檢測陰極被電流調(diào)節(jié)器電路下拉到地電位，識別出LED通道開路。然后，電源可以關(guān)閉并忽略開路的通道，直到系統(tǒng)復(fù)位或DC-DC升壓電路關(guān)閉。通過使用漏極開路輸出標(biāo)志(OPEN)，可將LED開路故障報告給系統(tǒng)(見圖2波形)。LED開路電壓可以設(shè)定為比與LED最大正向壓降(低環(huán)境溫度條件下)對應(yīng)的最高陽極電壓高出10%或20%.

圖2:LED開路時的上電

LED短路保護(hù)

在某些異常情況下，某些LED可能短路，或者LED串的陰陽極端子可能會意外連到一起。這將導(dǎo)致陰極電壓升高(位于LEDx引腳)，并可能導(dǎo)致驅(qū)動器電路中耗散過多熱量。為了減少功率耗散，一種選擇是減小LED電流，直到短路狀態(tài)消失。LED正向壓降失配也可能觸發(fā)LED短路故障。判斷這一狀況的標(biāo)準(zhǔn)是一個升高的陰極電壓：一旦陰極電壓超過該極限，便會觸發(fā)故障。通過使用漏極開路輸出標(biāo)志(SHORT)，可將該故障報告給系統(tǒng)。驅(qū)動器電路的功率耗散(PD)可以這樣計算：PD=∑VLEDxxILEDx，其中，VLEDx是陰極電壓，ILEDx是各通道的LED電流。

調(diào)光方法

調(diào)光是令用戶可以通過改變LED電流來調(diào)節(jié)亮度或光通量的一項重要功能。有兩種調(diào)光方法：或是使用PWM，或是使用模擬輸入信號。PWM調(diào)光通過將LED通道反復(fù)打開和關(guān)閉，來調(diào)節(jié)LED電流，以致平均LED電流與占空比成正比。例如，100mA標(biāo)稱電流的5%占空比相當(dāng)于5mA平均電流。為了不引起可見閃爍，PWM頻率應(yīng)最少為100Hz(通常約為300Hz)。較低的PWM頻率支持較高的調(diào)光分辨率，特別是在低占空比時。PWM調(diào)光的一項優(yōu)勢是，它保持LED的色彩。模擬調(diào)光通過一個模擬電壓(ANLG輸入)控制調(diào)光，該模擬電壓設(shè)置電流值與其電壓成正比。若有需要，這兩種方法也可以同時使用。

解決方案

安森美半導(dǎo)體的CAT4026 6通道LED控制器，為調(diào)節(jié)多個高壓串和監(jiān)控它們，并支持故障診斷，提供了一個集成的解決方案。每個LED通道通過一個外部雙極型功率晶體管(Q1至Q6)來調(diào)節(jié)(見圖3中的應(yīng)用電路)。該晶體管通過一個串聯(lián)電阻接地，以便通過將其電壓(RSET引腳)調(diào)節(jié)至1V來控制電流。該晶體管也連接至LED陰極：LED陰極可能會經(jīng)受高壓，應(yīng)當(dāng)能夠在LED短路故障的情況下，應(yīng)對最大陽極電壓。該晶體管的額定電壓非常重要。粗略估計晶體管耗散功率的一種好的方法，是用集電極至發(fā)射極電壓乘以LED電流。在針對散熱選擇封裝類型和設(shè)計PCB版圖時，應(yīng)當(dāng)考慮最壞情況。

陽極電壓由LED控制器向DC-DC轉(zhuǎn)換器提供反饋的閉環(huán)系統(tǒng)自動確定。CAT4026通過VCS引腳，識別出最高正向壓降串或最低陰極電壓。一旦最低陰極電壓處于標(biāo)稱凈空電壓，升壓轉(zhuǎn)換器就達(dá)到了正常工作狀態(tài)。由于所有通道都連接至相同的陽極電壓，其他串將遭受更高的陰極電壓，而導(dǎo)致晶體管耗散一些功率。所有工作的LED通道的電流，由外部電阻(R1到R6)單獨設(shè)定(如圖3所示)，同時，ILEDx=1V/Rx.

圖3：帶有CAT4026 LED控制器的升壓轉(zhuǎn)換器。

CAT4026 VCS引腳通過二極管或網(wǎng)絡(luò)(LO-SENSE，為二極管壓降增加了0.6V)，檢測最低陰極電壓。當(dāng)OCA引腳電壓達(dá)到1V且開路通道陰極被下拉至地電位時，CAT4026便開始LED開路檢測。LED短路事件由SCA引腳通過二極管或網(wǎng)絡(luò)(HI-SENSE)檢測最高陰極電壓來檢測。齊納二極管(ZvSCA)支持LED短路閾值電壓調(diào)節(jié)。

CAT4026控制并確保多達(dá)6個LED串的緊密匹配。對于少于6串的應(yīng)用而言，未使用的通道引腳保持為未連接狀態(tài);對于多于6串的應(yīng)用而言，可以并聯(lián)連接多顆CAT4026--一個主控制器向電源提供反饋。CAT4026采用SOIC 28引腳封裝，易于貼裝在單面PCB上。

本文小結(jié)

線性控制器為驅(qū)動多個LED串提供了靈活的解決方案，其中，功率將在分立晶體管中耗散，而不是在控制器IC中耗散。CAT4026控制器并不與施加在LED串上的高壓直接接觸，非常適合于電壓高達(dá)200V或更高、輸出功率達(dá)100W及以上的長LED串的應(yīng)用。

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