利用高亮度LED和SEPIC电源模块构建显示器背光方案

概述

汽车工业面临一个发展趋势，即在汽车显示屏(导航和信息娱乐终端系统)中越来越多地使用高亮度LED (HB LED)替代冷阴极荧光灯(CCFL)进行背光。与CCFL相比，HB LED工作在更低的直流电压(低EMI)、具有更长的使用寿命、在极端温度和振动环境下性能更佳，并且不含汞，无操作延时。除此之外，CCFL的调光范围是300:1 (最高值)，而HB LED的调光范围可以达到4000:1甚至更高。

考虑到光照环境，较宽的调光范围对于车体内部的显示器背光非常重要。当太阳光直接照射时，应具有足够高的背光强度，以解决强光反射的影响；夜晚则需调低背光强度，以免对驾驶员产生视觉影响。由于HB LED背光方案中通常采用多串LED排列成的矩阵架构，每串HB LED采用相同的驱动电流，因此具有一致的亮度和光谱。为了保证串与串之间的一致性，需要精确的电流驱动设计方案。

传统的HB LED驱动器设计挑战

提高调光范围看似简单，但是，如果在满足系统效率要求的前提下解决这个问题，将会面临诸多设计挑战。脉宽调制(PWM)线性HB LED驱动器工作在250Hz或更高频率时可以解决上述问题。但线性驱动器会消耗大量功率，散热将成为又一难题。为解决低效问题，需要采用开关模式HB LED驱动器，而电磁能量转换及控制电路占用较长的响应时间，很难满足4000:1的PWM调光要求(250Hz频率、0.025%占空比对应于1μs)。

比较合理的解决方案是将自适应开关调节器与线性驱动器相结合，自适应开关调节器并不提供固定电压，而是将输出电压调节在非常靠近HB LED最高串联电压的位置，开关调节器通过对驱动器漏极电压进行“二极管或”，选择最低点连接到调节环路，满足设计要求。线性驱动器保证为每串HB LED提供快速PWM调节。

这种混合架构可有效降低功耗、提供快速响应。但在HB LED关闭(PWM = 低电平)时存在一个潜在问题，电源自适应反馈环路的检测电压消失，控制环路会导致此关闭模式下HB LED的供电电压失效，无法满足极低占空比要求。为解决这一问题，开关调节器必须设置一个“静止”模式，以保持足够高的电压，保证在短暂的占空比“导通”期间正常工作，为调节器留出较长的恢复时间。

SEPIC的设计优势

对于不同应用，每串HB LED的个数可能不同，HB LED正向导通电压的容限通常为±15%。另外，在汽车应用中，输入电压具有相当宽的变化范围。考虑到这些不确定性，最好选择单端初级电感转换器(SEPIC)拓扑，SEPIC结构允许输入电压高于或低于输出电压，具有极高的设计灵活性。缺陷是SEPIC设计需要两个电感(或耦合线圈)和一个串联电容。但与反激方案相比，SEPIC设计中的串联电容可以吸收漏电感中的能量，降低对MOSFET开关的要求。

在图1、图2所示电路中，MAX16807是SEPIC方案中的核心控制器，能够为两串HB LED (每串5只LED)提供150mA的驱动电流。IC采用峰值电流控制模式，开关频率可变。另外，MAX16807具有8路可编程吸电流控制电路，每路可提供50mA电流，36V驱动器可精确建立每串LED所要求的驱动电流。为了获得更高电流，还可以将输出连接在一起。通过/OE引脚能够以极短的占空比控制HB LED驱动器的通/断，提供较宽的调光范围。MAX16807 SEPIC电源控制器件组合了多项功能，电路首先建立公共电压，然后由线性驱动器调节每串LED的电流。


图1. SEPIC设计范例，可驱动2串HB LED，每串包含5只LED、驱动电流为150mA。


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图2. 采用MAX16807 SEPIC LED驱动器的图1电路原理图(V_IN = 8V至18V，V_LED = 22V [自适应]，I_LED = 150mA/串)。

SEPIC设计分析

SEPIC设计中具有原边电感(L1)、副边电感(L2)和位于两个电感之间的串联电容(C3)，某种程度上，可以把SEPIC设计看作是具有隔直流电容(消除输入电压)的boost调节器，允许输出电压高于或低于输入电压。然而，为了复位隔直流电容，允许能量传递到输出端，在副边放置了另一个电感(L2)。

对电路进行分析，会发现C3上的直流电压等于输入电压。当MOSFET Q1导通时，V_IN为L1充电，C3为L2充电。由于C3上的电压等于输入电压，导通期间每个电感将作用相同的充电电压。关闭期间，每个电感的放电电压相同，为输出电压加上D1的导通电压。由于L1和L2具有相同的充、放电电压，它们可以具有相同的电感量和纹波电流，但二者的平均电流相差较大。

Q1导通时，D1反偏，只有输出电容C12支持输出电流(I_LED)；Q1断开时，L1的电感电流流过C3，与L2电流合并，为输出电容充电并支持I_LED。通过对方程式进行分析，会发现电路中L2的电流用于支持I_LED，L1的电流重新为输出电容充电，补充能量。即L2的平均电流等于I_LED，而L1的平均电流等于I_LED × V_OUT/V_IN。

选择SEPIC元件时，可以使用SEPIC设计电子表格，该表格可从Maxim网站下载。