LED之前世今生及其驅動(dòng)概述

　　由于電視臺的節目安排都是老電影，因此必需要有一個(gè)人工操作員。因為好萊塢導演喜歡采用各種對比度的膠片以藝術(shù)方式為拍攝現場(chǎng)提供照明(這遠遠超出了舊的RS-170視頻的處理能力)，因此這樣就使得電視攝像操作變得比較復雜。我第一天的工作就是消除它們的藝術(shù)效果。

　　這是一種似曾相識的經(jīng)歷，四十年后，我在NXP的會(huì )議室里觀(guān)看一些IC驅動(dòng)日立高清電視機上的LED背光，以便在信號鏈的顯示端進(jìn)行一些處理，這與我曾經(jīng)在攝像機端做過(guò)的操作類(lèi)似，不過(guò)這種操作并沒(méi)有怎么冒犯電影導演的初衷。

　　動(dòng)態(tài)背光的一個(gè)重要考慮因素是粒度。每個(gè)背光LED都可以照亮相當多的像素，因此光強度的變化必須逐漸擴展到LED的各個(gè)行和列。即使是這樣，這也比我以前通過(guò)增益和設置控制達到的效果要好。

　　可控硅調光

　　脈寬調制(PWM)可以控制LED光輸出。為了實(shí)現動(dòng)態(tài)背光，驅動(dòng)器需要高帶寬控制通道。許多創(chuàng )新都源于為順應傳統可控硅和SCR調光器的調光輸入而采用LED替代白熾燈源和熒光燈源的需求。這也是傳統技術(shù)拖累新一代技術(shù)的其中一個(gè)案例。

　　調光部件很容易采用恒流直流電源供電。此時(shí)的挑戰在于根據LED方案沒(méi)有的控制器來(lái)實(shí)現調光。這樣，基本調光就只是一個(gè)改變脈寬調制恒流方波工作周期的過(guò)程，它會(huì )相當快地進(jìn)行開(kāi)關(guān)，從而避免產(chǎn)生可察覺(jué)的閃爍。

　　憑經(jīng)驗來(lái)講，超過(guò)100Hz(歐洲主要頻率的兩倍)就足夠了。事實(shí)上，歐洲管制機構正在開(kāi)始關(guān)注當LED驅動(dòng)器AC-DC前端中的功率因數校正(PFC)給施加給LED的波形帶來(lái)諧波時(shí)的這種相對較低的速率和短工作周期。

　　在處理難題之前，需要先考慮可控硅調光器引起的一些基本問(wèn)題，可控硅調光器是通過(guò)中斷交流波形的每個(gè)半周期部分來(lái)控制簡(jiǎn)單的白熾燈的亮度的。如果負載是燈泡的燈絲，這個(gè)問(wèn)題就是小事一樁，不過(guò)如果負載是恒流驅動(dòng)器IC的話(huà)，這個(gè)問(wèn)題就不簡(jiǎn)單了(請參見(jiàn)ELectronicdesign.com 上的“High-Brightness White LEDs Light The Way To Greener Illumination”一文)。

　　例如，美國國家半導體公司(NSC)的LM3445降壓控制器是一款可控硅調光驅動(dòng)器。事實(shí)上，NSC公司的工程師開(kāi)發(fā)了一款專(zhuān)有的恒定關(guān)斷時(shí)間方案，用于維持整個(gè)LED串中的恒流(圖3)。這實(shí)際上是一種脈沖頻率調制，因為采用恒定關(guān)斷時(shí)間時(shí)，導通時(shí)間就成了唯一的變量。這樣，通過(guò)改變切換頻率來(lái)控制導通時(shí)間就可以輕松實(shí)現了。

　　圖3：美國國家半導體的LM3445是首款用于普通照明LED產(chǎn)品的驅動(dòng)器，它允許采用傳統可控硅調光器進(jìn)行調光。

　　LM3445的輸入端有一個(gè)齊納橋。此齊納橋后面的“填谷”電路可使斬波操作更加順利，并允許降壓穩壓器即使在可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)也可以汲取功率。

　　此IC的外接電路需要一個(gè)仿真白熾燈燈絲電阻的“泄漏”電阻，這種電阻是傳統照明電路中的可控硅中的一部分?！靶孤╇娮琛币话闶侵复┻^(guò)交流電源的輸出電容的電阻。這里的“泄漏電阻”消耗掉流經(jīng)關(guān)斷狀態(tài)下的可控硅的小電流。

　　在泄漏電阻的同一節點(diǎn)處，有一個(gè)帶一個(gè)15V齊納管和一個(gè)電源調整三極管的外部電路。電源調整三極管與大多數穩壓線(xiàn)路電壓“保持一定距離”，因此，此IC的感應引腳上的電壓在降至齊納橋的閾值以下時(shí)就會(huì )隨穩壓線(xiàn)路電壓的變化而變化。

　　相對于交流線(xiàn)路波形45°至135°的可控硅調光器發(fā)射角，LM3445具有10%至100%的調光范圍。該電路部分基于斜坡發(fā)生器和比較器。斜坡比較器的輸出通過(guò)施密特觸發(fā)器驅動(dòng)共源極N溝道MOSFET，MOSFET的漏極電壓與可控硅調光器的工作周期成正比。還有另外一個(gè)用于設置PWM關(guān)斷時(shí)間的電路。通過(guò)一個(gè)電阻來(lái)設置驅動(dòng)LED電流的實(shí)際電流。

　　凌力爾特公司(Linear Technology)的LT3799針對類(lèi)似的可控硅控制的應用(圖4a)。該器件的設計人員對從AC-DC級開(kāi)始的功率轉換級投入了大量工作，與NSC公司的升壓轉換器技術(shù)相比，其AC/DC級采用反激式拓撲結構實(shí)現。其目的在于使整流部分的功率因數在整個(gè)調光范圍內盡可能接近統一，而不會(huì )將有害的諧波傳到轉換鏈中。

　　圖4：凌力爾特發(fā)布的LT3799(a)利用了可控硅電壓(頂部)與驅動(dòng)電流脈沖(底部)(b)之間的關(guān)系。

　　強調PFC的意義在于滿(mǎn)足歐洲IEC61000-3-2標準的要求，該標準是根據線(xiàn)路頻率的諧波來(lái)規定功率因數的，而不是將功率因數規定為電力線(xiàn)上的電壓與電流之間的相位角。功率因數的這兩個(gè)定義是等效的，兩個(gè)定義都與負載電抗有關(guān)，但相關(guān)的方式有所不同。

　　每一個(gè)整流電路都包含一個(gè)大輸出電容，這個(gè)電容可儲存和平滑來(lái)自整流二極管的脈動(dòng)直流。平滑操作的結果是，負載從每個(gè)交流輸入周期某一部分的線(xiàn)路汲取能量。在每個(gè)周期的其余部分，負載從電容汲取能量。雖然交流線(xiàn)路電壓為正弦電壓，但交流線(xiàn)路電流卻是尖峰電流，頻率呈傅立葉級數，為交流線(xiàn)路頻率的倍數。

　　IEC61000-3-2標準規定了每個(gè)諧波(多達32次諧波)允許的最大值。凌力爾特的芯片旨在滿(mǎn)足該標準的要求，通過(guò)主動(dòng)PFC將功率因數保持在0.97以上。

　　采用凌力爾特的PFC方法的其中一個(gè)優(yōu)勢是它實(shí)際上可以簡(jiǎn)化可控硅調光。LT3799采用隔離型反激式拓撲結構，變壓器次級輸出饋回至初級端進(jìn)行控制，就像在任何反激式結構中一樣。不過(guò)，與大多數反激式級不同的是，該級采用第三變壓器繞組進(jìn)行隔離，而不是采用光耦進(jìn)行隔離。

　　該芯片在工作時(shí)通過(guò)從感應電阻獲得的外部MOSFET峰值電流信息來(lái)計算轉換器的輸出電流。(請參見(jiàn)LT3799數據手冊第9頁(yè)和第10頁(yè)，網(wǎng)址為http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3799f.pdf)。當主電源關(guān)斷時(shí)，LT3799還可以通過(guò)第三繞組上的電壓來(lái)檢測和報告打開(kāi)的LED串。正常工作時(shí)，第三繞組不僅可以感應輸出電壓，還能向IC供電。

　　為實(shí)現0.97以上的功率因數，PFC電路在臨界導通模式下工作，也就是介于連續導通模式與斷續導通模式的邊沿。

　　雖然前端比較復雜，不過(guò)根據可控硅導通的AC波形的每個(gè)半周期的持續時(shí)間對LED串進(jìn)行調光的實(shí)際過(guò)程非常簡(jiǎn)單明了。根據數據手冊，可控硅調光器在關(guān)斷時(shí)并不是理想的開(kāi)關(guān)，因為它們允許流經(jīng)數毫安的電流。

　　事實(shí)上，這是可控硅的一個(gè)明顯特征。其他公司的調光控制器提供像白熾燈燈泡的燈絲一樣的電阻性負載，用來(lái)實(shí)現可控硅觸發(fā)。在凌力爾特的驅動(dòng)器中，主電源MOSFET保持導通狀態(tài)，以便正確地加載可控硅，而不是在可控硅關(guān)斷時(shí)關(guān)斷主電源MOSFET。當可控硅導通時(shí)，驅動(dòng)器檢測到這一狀態(tài)，從而實(shí)現控制回路。

　　當調光器的可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，泄漏電流仍然流經(jīng)LT3799的內置濾波器。除變壓器初級繞組充當分壓器之外，該電流對IC的輸入電容進(jìn)行充電，會(huì )引起隨機開(kāi)關(guān)和LED閃爍。MOSFET柵級信號電平升高，以便在可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)MOSFET導通，從而能夠排出泄漏電流?？煽毓枰坏?，MOSFET就會(huì )無(wú)縫地變回正常供電器件(圖4b)。

　　頭痛和癲癇問(wèn)題

　　調光的決定性挑戰來(lái)自iWatt公司，這是一家無(wú)晶圓廠(chǎng)半導體公司，他們公司的調光器主要用于LED替換燈泡。這一特定的利基市場(chǎng)目前已由iWatt公司主導，其挑戰在于實(shí)現驅動(dòng)器能夠從數百個(gè)可控硅控制器中識別出哪個(gè)可控硅控制器正在使用，進(jìn)而根據該信息定制燈的行為。

　　此外，該公司還表示，負責管理歐洲安全標準的人員正在進(jìn)一步研究針對普通照明應用的LED驅動(dòng)器的AC-DC級中抑制的