驱动中型LED背光系统的集成方案

驱动器

　　LM3431的升压转换器是用来调节电流调节器的电压VC，而不是调节LED灯串的顶部。在这个方案中，升压转换器只需发送LED灯串所需的电压，就可减低在电流调节器内的功率耗散。与此同时，LED的阳极电压(VA)会随着LED灯串的Vf而变化，所以必须进行调节才能为每一个灯串提供足够的正向电压。

　　虽然，系统可能拥有数个LED灯串，但却只有一个电压反馈节点。LM3431被设计成每一个LED灯串都经二极管连接到阴极反馈引脚(没有在图2中表示出来)。因此，可在最低的节点处监视阴极电压。这样，不管Vf如何变化都可确保所有灯串均有足够的净空，在设计当中，电流调节器必须够大才能在印刷电路板上提供足够的铜散热面积。因此，图1电路的拓扑便需要更多的空间来为电流调节器散热。LED本身的散热设计就很有挑战性，现在再加上从驱动器散热问题，真可谓雪上加霜。由于LM3431需驱动外部晶体管来调节LED的电流，故封装的尺寸完全可根据应用所要求的功率水平来调节。图1中的应用在典型条件下每通道功率损耗为0.15W，如果我们假设最高的环境温度为80℃，而NPN管的最高工作温度为150℃，那我们便可计算出NPN的最高热电阻为137℃/W。一个典型的SOT-89 NPN器件的热电阻为104℃/W，这可说是一个合理的选择(虽然有点热)。然而， LM3431在典型条件下的每通道功率损耗为0.18W，所需的最大热电阻为389℃/W，因此可选用SOT-23封装。比较两种封装的面积，前者为 4.5mm×4mm，而后者仅为2.9mm×2.3mm。

　　高对比度PWM调光

　　PWM调光是控制LED亮度的最优方法。其原理是LED的正向电流会在一个固定的电平处出现脉冲，可以通过调节该脉冲的工作周期以控制亮度。这个方法不仅可提供一个稳定的色温，而且还可在整个LED亮度级范围内提供可预知的Vf。然而，100MHz是最低的可用调光频率，否则便会出现肉眼可见的闪烁。LM3431可接受介乎25kHz～ 100MHz之间的任何一个频率的调光信号，最低的启动时间为400ns。

　　现今有不少像CCFL的背光技术都是采用一个模拟电平电压信号来控制亮度。为了与这些调光系统兼容，LM3431内置有一个PWM调制器，它可以接受一个电压电平输入并能将它转换成一个PWM信号，并通过外部的电容器编程来调节PWM调光频率。在这种模式下，PWM工作周期便可在250mV～2.5V的范围内随着电压线性地增加。配合这个方法，现行采用CCFL类电压调光信号的电路便可与LM3431一起使用，并依照建议的方式来为LED调节光度。

　　在PWM调光期间，电路会出现高压摆率的负载瞬态，并且随后在VA和VC的节点处出现一个瞬态电压响应。在这里有些人可会认为现在的设计重点是LED电流而并非电压瞬态，只要瞬态下冲不低至使电流调节器饱和，那便不会出现问题。可惜这个看法是错的。首先，要确保没有饱和即意味需要更多的净空和进一步加大功率的损耗。其次，PWM调光频率一般介乎100～500Hz，有时可能高达1kHz，这些都处于耳朵可听到的频率范围内。在这种频率下的负载瞬态常会出现一种副作用，即从陶瓷电容器中发出可听噪声。流经电容器的电压变化会产生物理上的膨胀和收缩效果，这效果可以大到产生出人耳可听见的"吱吱"声响。为了消除这个可听见的噪声，需要对一个典型升压转换器的输出额外加上输出电容。虽然，这样做可获得一个非常稳定的输出电压，但却降低了功率和增大了电路板体积。

　　LM3431将PWM调光功能与升压转换器结合，可以解决这个调光问题。在每一个PWM调光信号的边缘，都会在升压控制环路中加插一个电压降。这作法会使COMP引脚的电压改变(错误放大器输出)并使得升压转换器可将VA电压推高至负载瞬态预期的电平。

图3 LM3431在调光期间的VA和VC电压 图4 "升压加电流调节器"的结果 　　这种系统可视为前馈，由于负载信息在瞬态发生前已被送到升压控制环路，因此控制环路便可对LED的电流变化做出即时的反应。然而，所施加的前馈大小可由用户调节，电压步级可以根据系统的环路响应和每个应用的负载要求而进行微调。经过上述的处理后，LM3431的集成调光系统的瞬态响应便大大得到改善，在一般情况下只需动用单一个陶瓷输出电容器便可。图3及图4分别表示出LM3431和图1"升压加电流调节器"方案的瞬态性能。两者都同样使用了一个陶瓷输出电容器。图4产生出很明显的可听噪声，并且需要额外加上1V来增加VA以避免在瞬态期间使NPN饱和。 　　在LED电流和PWM调光信号的下降边缘会出现一个卸载瞬态，对于任何的开关稳压器来说，这种卸载瞬态都比负载瞬态更难以控制，但LM3431在这方面却应付自如。 　　首先，相同的前馈信号会以相反的方向施加给控制环路。因此升压转换器便可预知卸载瞬态的发生，并且在LED熄灭时维持一个固定的VA电压。在PWM调光的LED熄灭期间，VC节点(一般是提供电压反馈给升压转换器)没有被调节，仅仅是一个开路。这个节点实际上不会一路上升到VA，然而它并不是反馈的有效节点。为了让VC反馈系统产生作用，要加上第二个反馈环路。但第二反馈环路只是在LED熄灭时才会运行。在LED点亮期间，LM3431通过VA反馈节点为输出电压取样，而这个抽取回来的电压会被保留在外部的"样品"电容器并作为LED熄灭期间的参考电压。当有PWM信号令LED熄灭时，升压转换器会将输出电压维持在先前于LED点亮期间所抽取样品的电平。随着LED的Vf改变，取样点亦会改变，同时VA电压会按每一个PWM周期的要求而变化。这种取样/保留系统可稳定输出电压，并且在减少引致可听噪声的瞬态电压步级的同时为输出电压提供良好的调节。我们可看见图3中的VA波形在LED亮着和熄灭周期之间的位移少于100 mV。图5所示为这种系统的基本元素，当中包含有两条电压反馈路径、一个参考电压和取样电容器，以及一个前馈控制和LED电流控制器。