利用电感型转换器设计提高LED转换效率

LED|0">LED在手机的LCD背光中的广泛应用已经有若干年了。如今其应用正扩展到大面积的LCD应用，包括袖珍PC、汽车导航GPS、数字相框、可携式DVD乃至笔记型计算机。LED也正开始取代家用的、汽车和其它通用光源的传统白炽灯和卤素光源。这一趋势背后的驱动力是技术的快速进步，包括LED更亮，效率更高，价格更具竞争能力。实际上使用LED的理由很简单，就是它们具有高可靠性和更长的寿命，在不需要更换的地方为终端用户提供免维护的产品。

　　为了在LCD应用中提供均匀的背光，几个白色LED通常沿着LCD的一个边安装。LED的数量正比于LCD的尺寸。对于中等尺寸(7-10英吋)，通常共使用20-40个LED。这些LED通常被连接成平行的3个或更多的LED串。为了减少连接点，许多LCD只提供一个2端接口。这里，所有的LED串必须在内部平行连接，然后连接到一个单电源上。

　　驱动类型

　　为了在中等LCD尺寸的应用中获得所期望的亮度，要求驱动器在所有的工作条件下能够为LED提供一个可调整的电流。通常，采用两种LED驱动技术：即容性电荷泵和基于电感的交换式稳压器。本文将集中讨论能够为LED提供1-6W功率的电感式转换器LED驱动电路。

　　电荷泵型LED驱动如今在手机和其它小尺寸的LCD背光应用中普遍使用，原因在于它们的高亮度、低成本和实现容易。电荷泵所需要的外部零组件只有3只或4只电容，且没有电感。不过，其输出功率有限。

　　虽然一些大功率快闪型LED电荷泵能够提供高达2W的功率，其输出电压最大只能到6V，因此无法驱动2只以上串联的LED。电荷泵中的通道数量(通常为6个)决定了LED的数量。由于更多的通道意味着需要更多的接脚和更大的封装，因此电荷泵限制了在中等尺寸面板中的应用。

　　LED正向电压(VF)，LED电流以及电源电压范围的不同组合，决定了所需的电感型转换LED驱动器的类型，LED VF随着电流、温度和LED型号的不同而变化。出现在最低温度时的最大VF是选择LED驱动电路结构的关键参数，通常是在线性结构、降压或升压结构中进行选择。本文中假定最大VF为3.8V。

　　当选择LED驱动IC时，关键参数包括开关电流极限、最大输出电压，以及需要保护开路LED条件所需的过压保护阈值等。像电感和电容这类外部零组件也需要仔细选择。

　　应用实例

　　以8英吋的LCD模块为例，包括总共9串(每串3只)白色LED组成的背光(图1)。LED串的总电压(LED的VF为3.3V)通常为10V(3×3.3V)。每只LED的电流为20mA，则总驱动电流为180mA(9×20)，LED总功耗为1.8W。用一个AC电源配接器提供一个5V电源。一个基于电感的LED驱动器非常适用于该应用。

图1：8英吋LCD模块背光电路 　　首先计算处理2W的负载需要多大的开关电流。假定效率为80%，输入电流等于Vout×Iout/Vin×效率=10×0.18/5×0.8=450mA。CAT4139电感型升压LED驱动器具有750mA(最小值)的驱动能力，故很适合于该应用。 　　电感的电流额定值应该能够处理LED驱动峰值开关电流且不进入饱和。一旦出现饱和，就会出现电流突波，因为此时电感的功能便成了一只电阻，电路不再按照预期工作。合适的电感额定电流应该大于等于80mA。 　　工作期间LED的最大输出电压应该低于额定最大输出电压。由于3只LED串联，在冷温下，总正向电压可能高达11.4V(3×3.8V)。24V的开路LED检测阈值远高于其极限值。如果LED断开，输出电压将会上升并保持在30V，此时组件处于低功率模式，从电源吸纳的电流仅有几毫安。30V额定输出电压的电容是合适的。 　　现在考虑由12V电源供电的一只6W LED灯。可以用6只高亮度白色LED串联连接来实现，用一个300mA的固定电流来驱动，典型的正向电压为3.3V。 　　LED串的电压通常为20V，在冷温将会增加到23V(6×3.8V)。该电压对于CAT4139这类组件过高。需要利用向CAT4240这类具有更高电压的升压型LED驱动器来驱动负载。CAT4240升压LED驱动器的过压检测阈值为40V，适用于串联灯数高达10只的LED串。 　　选用降压型开关电源 　　当电源电压高于总LED正向电压时，可以选用一个线性电流源或者开关降压稳压器来为LED提供恒流。不过线性电流源有一个缺陷，即耗散在稳压器中的功耗正比于电源到负载的电压差。开关电源的效率较高，能够避免任何较大的热量耗散在IC上，且工作温度接近或者略为高于环境温度。 　　图2说明了如何利用CAT4201从一个24V电源来驱动5只1W的LED。LED电流由外部电阻R1来设定。CAT4201降压LED驱动器利用两阶段开关作业来提供精确的平均电流。在第一阶段，位于内部的CAT4201 FET开关将SW端连接到地，使电流上升并对电感充电。