多LED阵列的高效驱动方案

在电器产品中，LED被越来越多地用于产生光，例如，在液晶电视背光应用中，LED替代了传统的冷阴极荧光灯（CCFL）。在工业及通用照明应用中，它逐渐替代了白炽灯、紧凑型荧光灯（CFL）和高强度灯。LED提供的光强与流过LED的电流大小成正比；耗散的功率与电流及LED正向电压成正比。光源和功率耗散最好是使用多个小电流的LED来分摊，而不是使用可能需要更高成本的PCB和将增加系统总成本的附加散热的少许大功率LED.例如，在液晶显示器（LCD）背光应用中，白光LED均匀地分布在LCD的一侧或几侧；在LED灯具中，为数众多的LED提供了更加散射的照明和在PCB和散热片上更好的散热。基于这两点理由，使用大量LED的方法便很常见了。驱动一串LED而非并联的多个LED，提供了固有的电流匹配及更少的互连端子。在单一串断开连接的情况下，照明将会完全停止。因此，较好的措施是引入一些冗余，并且最少并联两串LED.由此带来的结果是，偏置LED的阳极电压降低--这将可以提升安全性。另一方面，多串配置提供一致的光输出要求电流匹配。不同串的正向电压特性可能略有不同，从而需要予以监测，因为在使用线性驱动器时，这可能会导致过多的热耗散。驱动器电路检测LED开路和LED短路故障情况并持续工作至关重要。带升压转换器及线性驱动器的24V直流电源传统上，电视机包含一个提供24VDC的开关模式电源（SMPS）。相同的电源如今可以连接到DC-DC升压转换器，产生正向偏置长LED串所要求的高压（范围介于80V与200V之间）。升压转换器包含一个脉宽调制（PWM）控制器，例如安森美半导体公司的UC3843或NCP1252.然后，系统使用线性LED控制器，来对多串电流进行调节，并为升压转换器提供反馈，从而将阳极电压自动调节到尽可能地低，以将线性LED驱动器的功率耗散降至最低（如图1所示）。工作期间可能出现几种故障，而需要由控制器来处理。常见的问题包括LED通道开路及LED通道短路。图1：带线性LED驱动器的DC-DC升压转换器模块图。LED开路保护在过压或LED串变为开路的情况下，升压转换器将增加阳极电压（VOUT），因为它试图调节流过LED通道的电流。峰值阳极电压必须限制到一个安全值（即“LED开路电压”），从而避免因超过额定电压而造成升压电路、其输出电容或线性驱动器损坏的情况发生。检测LED开路故障的一种方法，是将阳极端子连到分压电阻（Ra、Rb），并将中点连接到低压比较器（OCA输入），如图1所示。一旦阳极电压达到LED开路电压，LED驱动器就可以通过检测阴极被电流调节器电路下拉到地电位，识别出LED通道开路。然后，电源可以关闭并忽略开路的通道，直到系统复位或DC-DC升压电路关闭。通过使用漏极开路输出标志（OPEN），可将LED开路故障报告给系统（见图2波形）。LED开路电压可以设定为比与LED最大正向压降（低环境温度条件下）对应的最高阳极电压高出10%或20%.图2:LED开路时的上电LED短路保护在某些异常情况下，某些LED可能短路，或者LED串的阴阳极端子可能会意外连到一起。这将导致阴极电压升高（位于LEDx引脚），并可能导致驱动器电路中耗散过多热量。为了减少功率耗散，一种选择是减小LED电流，直到短路状态消失。LED正向压降失配也可能触发LED短路故障。判断这一状况的标准是一个升高的阴极电压：一旦阴极电压超过该极限，便会触发故障。通过使用漏极开路输出标志（SHORT），可将该故障报告给系统。驱动器电路的功率耗散（PD）可以这样计算：PD=∑VLEDxxILEDx，其中，VLEDx是阴极电压，ILEDx是各通道的LED电流。调光方法调光是令用户可以通过改变LED电流来调节亮度或光通量的一项重要功能。有两种调光方法：或是使用PWM，或是使用模拟输入信号。PWM调光通过将LED通道反复打开和关闭，来调节LED电流，以致平均LED电流与占空比成正比。例如，100mA标称电流的5%占空比相当于5mA平均电流。为了不引起可见闪烁，PWM频率应最少为100Hz（通常约为300Hz）。较低的PWM频率支持较高的调光分辨率，特别是在低占空比时。PWM调光的一项优势是，它保持LED的色彩。模拟调光通过一个模拟电压（ANLG输入）控制调光，该模拟电压设置电流值与其电压成正比。若有需要，这两种方法也可以同时使用。解决方案安森美半导体的CAT40266通道LED控制器，为调节多个高压串和监控它们，并支持故障诊断，提供了一个集成的解决方案。每个LED通道通过一个外部双极型功率晶体管（Q1至Q6）来调节（见图3中的应用电路）。该晶体管通过一个串联电阻接地，以便通过将其电压（RSET引脚）调节至1V来控制电流。该晶体管也连接至LED阴极：LED阴极可能会经受高压，应当能够在LED短路故障的情况下，应对最大阳极电压。该晶体管的额定电压非常重要。粗略估计晶体管耗散功率的一种好的方法，是用集电极至发射极电压乘以LED电流。在针对散热选择封装类型和设计PCB版图时，应当考虑最坏情况。阳极电压由LED控制器向DC-DC转换器提供反馈的闭环系统自动确定。CAT4026通过VCS引脚，识别出最高正向压降串或最低阴极电压。一旦最低阴极电压处于标称净空电压，升压转换器就达到了正常工作状态。由于所有通道都连接至相同的阳极电压，其他串将遭受更高的阴极电压，而导致晶体管耗散一些功率。所有工作的LED通道的电流，由外部电阻（R1到R6）单独设定（如图3所示），同时，ILEDx=1V/Rx.图3：带有CAT4026LED控制器的升压转换器。CAT4026VCS引脚通过二极管或网络（LO-SENSE，为二极管压降增加了0.6V），检测最低阴极电压。当OCA引脚电压达到1V且开路通道阴极被下拉至地电位时，CAT4026便开始LED开路检测。LED短路事件由SCA引脚通过二极管或网络（HI-SENSE）检测最高阴极电压来检测。齐纳二极管（ZvSCA）支持LED短路阈值电压调节。CAT4026控制并确保多达6个LED串的紧密匹配。对于少于6串的应用而言，未使用的通道引脚保持为未连接状态；对于多于6串的应用而言，可以并联连接多颗CAT4026--一个主控制器向电源提供反馈。CAT4026采用SOIC28引脚封装，易于贴装在单面PCB上。本文小结线性控制器为驱动多个LED串提供了灵活的解决方案，其中，功率将在分立晶体管中耗散，而不是在控制器IC中耗散。CAT4026控制器并不与施加在LED串上的高压直接接触，非常适合于电压高达200V或更高、输出功率达100W及以上的长LED串的应用。