面向汽車和HDTV應(yīng)用的最佳LED驅(qū)動(dòng)器解決方案

   目前，有關(guān)高亮度LED (發(fā)光二極管) 的市場分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存在著巨大的差異。盡管預(yù)測存在分歧，但有一個(gè)趨勢是明確的，即：高亮度 (HB) LED市場將以一種驚人的速度迅猛成長。根據(jù)法國Yole Development公司所做的預(yù)測，所有LED的市場規(guī)模將在2012達(dá)到103億美元。在這當(dāng)中，高亮度和超高亮度LED總共將占到約44.5億美元；幾乎是2007年7.83億美元市場規(guī)模的5.5倍 (基于封裝式LED)。

    是什么支持了如此令人注目的成長潛力？首先，LED的發(fā)光效率是白熾燈泡的10倍，以及熒光燈的2倍，因此，當(dāng)提供一個(gè)給定的光輸出量 (單位：流明)時(shí)，它所需的電能以及產(chǎn)生的熱量大幅度下降。隨著LED的進(jìn)一步發(fā)展，它從電能產(chǎn)生光通量的效率將繼續(xù)升高。其次，當(dāng)今世界非常重視環(huán)保，LED照明不需要操作、暴露和處置熒光燈泡中常見的有毒汞蒸汽。第三，白熾燈泡每1,000小時(shí)就需要更換，熒光燈泡的使用期限為10,000小時(shí)，而LED的壽命則長達(dá)100,000小時(shí)以上。在大多數(shù)應(yīng)用中，這使得LED能夠被永久地嵌入在最終產(chǎn)品或系統(tǒng)中，而無需采用某種固定物。具體實(shí)例包括汽車中的車身面板或HDTV中的LCD顯示屏，因?yàn)樗鼈冊谄嚮騂DTV的使用期限內(nèi)將永遠(yuǎn)不需要更換。此外，LED的面積和高度要比同類替代方案小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且可以制作成非常扁平的外形，因此能夠永久性地嵌入在汽車的內(nèi)部和外部裝置以及扁平的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。另外，通過采用一種紅光、綠光和藍(lán)光LED配置，還可以提供無限多種彩色光。LED的調(diào)光和接通/關(guān)斷操作速度之快遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人眼的分辨能力，因而在背面照明HDTV及其他類型的顯示器中實(shí)現(xiàn)了巨大的改善。如果沒有LED，高對(duì)比度比和高分辨率清晰型LCD HD TV將無法成為現(xiàn)實(shí)。

    然而，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師所面臨的最大挑戰(zhàn)之一是：如何優(yōu)化最新一代LED的所有優(yōu)勢？由于LED通常需要一個(gè)準(zhǔn)確而高效的DC電流源以及一種調(diào)光方法，因此，必須設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)器IC，以在眾多應(yīng)用中滿足這些要求。電源解決方案必須具備高效、功能堅(jiān)固性、緊湊和成本效益性等特點(diǎn)。可以說，對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)而言，汽車應(yīng)用和大型HDTV LCD顯示器的背面照明應(yīng)用是其所面臨諸多極苛刻應(yīng)用當(dāng)中的兩個(gè)。由于LED在汽車應(yīng)用中所擁有的綜合優(yōu)勢，它們已經(jīng)被各種汽車照明形式全面采用，從車前燈到儀表盤/導(dǎo)航裝置背面照明以及普通的車身內(nèi)部/外部照明等一應(yīng)俱全。傳統(tǒng)上一直由CCFL (冷陰極熒光燈) 來提供的LCD HDTV背面照明應(yīng)用正在逐漸地被規(guī)模較大、能夠以單獨(dú)的LED串來調(diào)光的高亮度LED陣列所取代，從而實(shí)現(xiàn)了非常精準(zhǔn)的局部調(diào)光。與采用CCFL背光源的傳統(tǒng)HDTV相比，這使得對(duì)比度比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。如前文所述，由于具有局部調(diào)光能力和超快的響應(yīng)時(shí)間，因此可以實(shí)現(xiàn)LED亮度的即時(shí)調(diào)節(jié)，從而消除了在CCFL背光照明HDTV固有的運(yùn)動(dòng)圖像模糊這一長期存在的棘手問題。

汽車LED照明

  諸如小外形尺寸、低功耗和快速接通時(shí)間等優(yōu)勢開創(chuàng)了高亮度LED被當(dāng)今汽車所廣泛采用的局面。LED在汽車中的初始應(yīng)用是中央高架停車燈 (CHMSL)；這些應(yīng)用使用紅光LED來提供一個(gè)非常扁薄的照明陣列，該照明陣列易于安裝，而且永遠(yuǎn)不需要更換。

   傳統(tǒng)上，白熾燈泡是最為經(jīng)濟(jì)的光源，而且仍然被許多汽車所采用。然而，隨著可用照明空間的日益縮小以及對(duì)照明光源使用壽命要求的不斷提高，在許多應(yīng)用中，由LED所提供的燈光色彩和精簡型設(shè)計(jì)方案正在迅速取代白熾燈泡。信息娛樂系統(tǒng)中的傳統(tǒng)CCFL-LCD背面照明被白光LED陣列所取代的現(xiàn)象正變得越來越普遍，后者提供了更加精準(zhǔn)且可調(diào)的背面照明以及將輕松超越汽車壽命的使用期限。更有甚者，人們還在利用一種電“可操縱”型高電流LED陣列來開發(fā)車前燈 (見圖1)，而該領(lǐng)域一直是被鹵素/氙燈絲設(shè)計(jì)所把持的。幾乎所有的汽車照明應(yīng)用 (包括車身內(nèi)部/外部照明和背光照明應(yīng)用) 都將逐步過渡為采用LED。在該環(huán)境中使用LED的好處具有諸多積極的含意。首先，它永遠(yuǎn)不需要更換，因?yàn)槠溟L達(dá)100,000小時(shí)以上的固態(tài)壽命 (服役年限：11年半) 比汽車的使用壽命還要長。這使得汽車制造商能夠把它們永久性地嵌入“車艙內(nèi)”的照明系統(tǒng)中，而無需像以往那樣留有用于更換燈絲燈泡的入口。由于LED照明系統(tǒng)不需要白熾燈泡所要求的安裝深度或面積，因此還可使汽車的造型發(fā)生引人注目的顯著變化。

圖1示出了近期投產(chǎn)的Lexus LS600h LED車前燈。Audi (奧迪) 公司的R8和GM公司的Escalade擁有類似的選項(xiàng)。所有這些車輛的總體照明配置都是相似的。每個(gè)車前燈部件包含5種專為所有照明要求而優(yōu)化的LED光束，這些光束包括：近光、遠(yuǎn)光、彎道光、晝間行駛燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)，它們?nèi)慷加蒐ED來提供。標(biāo)準(zhǔn)光束一般將需要35W至50W的功率。聽起來好像并不太多，但請(qǐng)不要忘記：LED提供的光通量是鹵素?zé)舻?0倍，因此50W LED的光輸出與500W鹵素?zé)羰窍喈?dāng)?shù)?。遠(yuǎn)光所需的功率與標(biāo)準(zhǔn)光束相同或稍高，而彎道光、晝間行駛燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)將需要較少的功率。這些光束均可利用單個(gè)HB LED驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，這就是凌力爾特公司的LT3755。由于電能消耗有可能超過200W，可見采用發(fā)熱量極少的高效率LED驅(qū)動(dòng)器是何等的重要。

圖1：HB LED Lexus LS600h車前燈/轉(zhuǎn)向信號(hào)/行駛燈。

汽車LED照明的設(shè)計(jì)參數(shù)

   為了確保最佳的性能和長久的工作壽命，LED需要一個(gè)有效的驅(qū)動(dòng)電路。這些驅(qū)動(dòng)電路必須能夠從相當(dāng)苛刻的汽車電源總線獲取工作電源，而且還應(yīng)兼具成本和空間“效益性”。為了維持其長久的工作壽命，一定不得超過LED的電流和溫度限值。

   大多數(shù)車前燈應(yīng)用都需要大約50W的LED電流。凌力爾特的LT3755專為服務(wù)于此類應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它能夠把汽車總線電壓 (標(biāo)稱值為12V) 提升至高達(dá)60V，以驅(qū)動(dòng)多達(dá)14個(gè)串聯(lián)的1A LED，如圖2所示。[!--empirenews.page--]

   圖3描繪了LT3755的效率 (可高達(dá)93%)。這一點(diǎn)極其重要，因?yàn)樗獬藢?duì)任何功率元件進(jìn)行散熱的需要，從而實(shí)現(xiàn)了非常緊湊的占板面積。雖然圖2中的電路是升壓模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但LT3755運(yùn)用了獨(dú)特的高壓側(cè)電流檢測設(shè)計(jì)，因而使其還能夠根據(jù)應(yīng)用的特殊要求而被配置成升壓、降壓模式、降壓-升壓模式或反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3：圖2所示LT3755電路的效率曲線。

  LT3755從一個(gè)內(nèi)部調(diào)節(jié)7V電源來驅(qū)動(dòng)一個(gè)低壓側(cè)外部N溝道MOSFET。固定頻率、電流模式架構(gòu)在一個(gè)很寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定和精準(zhǔn)的運(yùn)作。LT3755提供了一個(gè)恒定電流源，LED驅(qū)動(dòng)器IC要想在輸入電壓不穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)恒定的LED亮度，這是必不可少的。在汽車應(yīng)用中，這一點(diǎn)特別重要，原因是輸入電壓會(huì)由于在諸如“冷車發(fā)動(dòng)”和“負(fù)載突降”等過程中遇到的瞬變而發(fā)生巨大的擺動(dòng)。LT3755的最大輸入電壓為40V，這令其即使在主汽車總線承受40V瞬態(tài)電壓的情況下 (這在負(fù)載突降條件下是很常見的) 也能夠調(diào)節(jié)LED電流和電壓。

一個(gè)參考于地電位的電壓反饋引腳充當(dāng)眾多LED保護(hù)功能電路 (例如：開路LED保護(hù)) 的輸入，并可使轉(zhuǎn)換器起一個(gè)恒定電壓源的作用。一個(gè)頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100kHz至1MHz的范圍內(nèi)進(jìn)行頻率設(shè)置，以優(yōu)化效率和性能，同時(shí)最大限度地縮減外部元件尺寸。如果需要進(jìn)行外部同步，則可使LT3755-1版本在其整個(gè)100kHz至1MHz的頻率范圍內(nèi)同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。

  LT3755的True ColorTM PWM調(diào)光功能實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3000:1的調(diào)光比，而發(fā)射光的色彩無變化 (見圖4)，從而使得能夠利用PWM的占空比來對(duì)LED車前燈進(jìn)行經(jīng)常性的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)各種環(huán)境條件。由于凌力爾特的高電流LED驅(qū)動(dòng)器是電流模式穩(wěn)壓器，因此它們并非直接調(diào)節(jié)電源開關(guān)的占空比，而是由反饋環(huán)路負(fù)責(zé)在每個(gè)周期中控制開關(guān)中的峰值電流。與電壓模式控制相比，電流模式控制改善了環(huán)路動(dòng)態(tài)特性，并提供了逐周期電流限制。

圖4：圖2中的True Color PWM調(diào)光。

HDTV背面照明

  雖然看似并無關(guān)聯(lián)，但汽車中的信息娛樂和導(dǎo)航顯示器的LED背面照明卻刺激了具高調(diào)光比的HB LED背光源的應(yīng)用，汽車內(nèi)部各種各樣的環(huán)境照明條件使得寬調(diào)光比范圍成為必需，而在HDTV應(yīng)用中，這也是產(chǎn)生彩色的最大動(dòng)態(tài)范圍所需要的。

   成長速度最快的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場之一是平板HDTV。由于消費(fèi)者需要屏幕較大的HDTV和較高的分辨率，因此這種需求迅速地從等離子體HDTV轉(zhuǎn)移到了LED HDTV。根據(jù)DisplaySearch公司的預(yù)測，等離子體HDTV的銷售額將在2008年達(dá)到頂峰 (240億美元)，而LCD HDTV在2008年將實(shí)現(xiàn)750億美元的市場銷售額，并在2010年以前增長至930億美元。然而，LCD HDTV存在多種缺點(diǎn)，包括運(yùn)動(dòng)模糊和彩色再現(xiàn)性等等。也就是說，目前這一代LCD HDTV無法獲得真正的“黑色”，而且提供了所有彩色的一個(gè)較低的動(dòng)態(tài)范圍。傳統(tǒng)HDTV采用CCFL管作為背光源，而且僅能提供450～650cd/m2的對(duì)比度比。這些HDTV的主要問題是其不能完全關(guān)斷CCFL背光源或?qū)χM(jìn)行局部調(diào)光。[!--empirenews.page--]

    與此相反，當(dāng)采用HB LED背光源時(shí)，一個(gè)能夠以背面照明“LED串”來進(jìn)行局部調(diào)光或關(guān)斷操作的LED陣列 (對(duì)于46英寸顯示器而言，LED的數(shù)目多達(dá)1600個(gè)) 提供了幾乎比CCFL設(shè)計(jì)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的對(duì)比度比 (>4000cd/m2)。此外，通過調(diào)節(jié)背面照明LED串的亮度，還可以復(fù)制更多的中間色調(diào)，從而使得圖像更加生動(dòng)逼真。

能夠在局部位置將LED完全關(guān)斷的另一個(gè)好處是可以減少運(yùn)動(dòng)模糊。通過在幀與幀之間將LED完全關(guān)斷，由快速運(yùn)動(dòng)物體所引起的圖像模糊實(shí)際上將被消除。在解決CCFL背面照明LCD TV所常見的這種快速運(yùn)動(dòng)模糊問題的過程中，LED的快速響應(yīng)速率是至關(guān)重要的。

要想使LED背面照明HDTV成為可行方案，關(guān)鍵因素之一便是LED驅(qū)動(dòng)器IC。由于每塊顯示屏包含如此之多的LED，因此LED驅(qū)動(dòng)器電路必須具有非常高的效率，否則顯示器將產(chǎn)生嚴(yán)重的熱問題，并需要采用體積龐大的散熱器，這與消費(fèi)者期盼平板HDTV外形更平、重量更輕的愿望是背道而馳的。此外，這些驅(qū)動(dòng)器IC還必須能夠提供非常寬的調(diào)光比 (高達(dá)5000:1)，以實(shí)現(xiàn)所需的寬對(duì)比度比。最后，整個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器解決方案必須非常緊湊，以造就大多數(shù)HDTV消費(fèi)者所要求非常扁薄的款式。

凌力爾特的LT3595降壓模式LED驅(qū)動(dòng)器具有16個(gè)單獨(dú)的通道，每個(gè)通道能夠從高達(dá)45V的輸入來驅(qū)動(dòng)由多達(dá)10個(gè)50mA LED所組成的LED串。每個(gè)通道可被用來驅(qū)動(dòng)一串 (10個(gè)) LED，以提供局部調(diào)光。每個(gè)LT3595能驅(qū)動(dòng)多達(dá)160個(gè)50mA白光LED。一臺(tái)46英寸LCD TV將需要大約10個(gè)LT3595 (依據(jù)HDTV標(biāo)準(zhǔn))。其16個(gè)通道均可進(jìn)行獨(dú)立控制，并且具有一個(gè)單獨(dú)的PWM輸入，該輸入能夠提供高達(dá)5000:1的PWM調(diào)光比。

每個(gè)通道僅需要一個(gè)片式電感器和一個(gè)甚至更加小巧的陶瓷輸出電容器。其他的必需元件僅為單個(gè)輸入電容器和用于確定電流的設(shè)定電阻器 (圖5)。具箝位二極管、電源開關(guān)以及具補(bǔ)償功能的控制邏輯電路所有16個(gè)通道均被整合在LT3595較小的56引腳、5mm x 9mm QFN封裝之中。

圖5：一個(gè)用于從45V輸入來驅(qū)動(dòng)160個(gè)白光LED的16通道LED驅(qū)動(dòng)器。PWM調(diào)光比為5000:1。

  LT3595擁有92%的峰值效率 (在2MHz開關(guān)頻率條件下)，因而免除了增設(shè)外部散熱裝置的需要。

圖6：圖5所示的160-LED驅(qū)動(dòng)器的效率高于92%。

   LT3595的PWM調(diào)光能力高達(dá)5000:1。圖7示出了5000:1 PWM調(diào)光波形和一個(gè)外觀非常方的LED電流波形。即使在接通時(shí)間僅為2μs的情況下，一個(gè)20mA LED電流仍然與100Hz PWM信號(hào)同步地接通和關(guān)斷。降低PWM頻率可以實(shí)現(xiàn)較高的PWM調(diào)光比，但100Hz頻率能夠確保不出現(xiàn)可見閃爍。

圖7：圖5所示電路的5000:1 PWM調(diào)光波形

   所有16個(gè)通道的滿LED亮度均利用單個(gè)外部電阻器來設(shè)定。每個(gè)通道具有相同的編程LED電流 ─— 設(shè)定在10mA至50mA之間。各通道之間的LED電流準(zhǔn)確度在8%以內(nèi)。True Color PWM調(diào)光采用了一個(gè)減小的占空比，旨在提供準(zhǔn)確的調(diào)光，而不使發(fā)射光的彩色發(fā)生任何偏移。固定頻率、電流模式控制方案在一個(gè)很寬輸入和輸出電壓以及電流范圍內(nèi)提供了穩(wěn)定的操作。對(duì)流過用于每個(gè)通道的內(nèi)部檢測電阻器和內(nèi)部開關(guān)的LED電流的直接控制，以及用于每個(gè)通道的控制電路提供了適合LED驅(qū)動(dòng)的卓越恒定電流源調(diào)節(jié)性能。內(nèi)部100mA電源開關(guān)和56引腳QFN封裝的裸露散熱襯墊提供了足以處理16個(gè)通道的功耗和發(fā)熱量 (在50mA電流條件下) 的電源管理和熱管理。

結(jié)論

   由于LED照明應(yīng)用在汽車和LCD HDTV中的普及速度空前提高，因此對(duì)高電流LED應(yīng)用中的LED驅(qū)動(dòng)器IC產(chǎn)生了許多非常特殊的性能要求。在汽車?yán)?，這些應(yīng)用多種多樣，從車前燈到內(nèi)部照明等不一而足。在HDTV中，LED提供了一種精細(xì)得多的局部調(diào)光法，從而極大地改善了圖像質(zhì)量。此外，在汽車和HDTV市場以外的眾多商業(yè)和工業(yè)環(huán)境中，LED的應(yīng)用也非常普遍，它們同樣具有大多數(shù)這些高性能要求。這些LED驅(qū)動(dòng)器還必須能夠提供恒定的電流 (以保持均勻的亮度，而不受輸入電壓或LED正向電壓變化的影響)、必須實(shí)現(xiàn)高工作效率，并提供寬調(diào)光比。另外，這些應(yīng)用還需要占板面積非常緊湊、且散熱效率很高的解決方案。面對(duì)汽車、HDTV以及眾多其他LED設(shè)計(jì)要求，凌力爾特公司迎難而上，開發(fā)出了一個(gè)高電流LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品系列。如今，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師擁有了一個(gè)適合其復(fù)雜照明設(shè)計(jì)的簡易且現(xiàn)有的LED驅(qū)動(dòng)器。