从驱动LED背光向驱动固态光源转换
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摘要：来自LED固体光源的大部分揭秘表明，不同的拓扑结构是针对不同应用而设定的。
关键词：LED背光；固态光源；驱动
中图分类号：TN312+.8
文献标识码：B
文章编号：1006－6268(2011)05－0022－05
引言
发光二极管从当初作为简单的指示器广泛使用直到今日，已走过漫漫长路。市场分析认为led的发展更早，而且将继续成熟普及，我们会感受到因为当今高效、低价的LED问世而极大地改变产业的面貌，显示业界已看到LED逐渐渗透到小尺寸显示器的背光应用中，并且进一步向中、大尺寸LCD扩展。
随着LED应用于各种媒体，需要特别关注其电学控制方法，这有助于最大程度地发挥设计功效。尽管在IC和LED驱动设计方面已有了长足进步，但仍没有一种放之四海而皆准的LED驱动器。当今聪明的设计师和产品集成商根据应用需求以及所需功能，选择配置最合适的驱动器类型。在为OEM制造商选择LED驱动器之前，比如Endicott研究集团就已将影响选择的功能需求排了优劣次序，一些关键条件包括尺寸、成本、功效、功耗、噪声、弱光和柔韧性。通常，驱动器设计人员或多或少地会受到供应链(比如LED串的配置结构)最大化的影响，这种现象不仅是显示业独有的，其它固态光源(SSL)领域也是如此。本文重点陈述一些用于驱动OEM-LED背光的标准结构，并讨论普通LED驱动器常规应用中的棘手问题。
1 SSL光源的交／直流LED驱动器
国际电工委员会(IEC)和美国国家标准学会(ANSI)已规定了供给电源交流输入线的功率因数和输入电流谐波成分，这些规定因应用的不同而有差异，但两者对照明设备均存在影响。功率因数定义为电器实际消耗的有功功率与输入视在功率之比，其中强调了线电压与电流的相位关系。当电子设备的输入电流消耗与相关电压成线性关系时(负载为纯电阻性)，功率因数为一个单位(或者1)，如图1(a)所示。功率因数为1时非常理想，因为此时无用损耗降低了，噪声等损害信号也非常小。
当负载既有非线性又有电抗性电路元件时，功率因数就不再是1了。如果负载具有线性、电容性和电阻性，那么输入电流相位超前于输入电压，如图1(b)所示：如果负载具有线性、电感性和电阻性，那么输入电流相位滞后于输入电压。其它情况下视在功率(通过设备的即时电压与电流)并不等于实际消耗有功功率。这就是IEC和ANSI等机构强调有功功率和视在功率的差别，而视在功率是很多功率计所能监控的。
2 AC／DC转换器中的桥式整流器和滤波电容器
在考虑功率因数和电流谐波之前，单相电压源由桥式整流器和滤波电容器构成，这能够将交流输入电流转换成有些波动的直流电流，波动部分会经过后续的有源或无源滤波器滤除，得到平滑的直流电流。这种电路成本不高，制造简单(目前广泛使用在小功率电源中)，当正弦输入电压到达峰值时，由桥式整流器和滤波电容器构成的电路在极短时间内吸收了所有输入电流，产生高度变形的输入电流波形(如图1(c)所示)。产生这种电流脉冲的原因在于桥式滤波器只有瞬时线电压超过电容器上的电压值时才导通(也就是说只有在输入峰值电压时电流才导通)。结果由于功耗等于输入电流的平方值乘以线电阻，那么这种脉冲式输入电流就降低了电源的效能。当电路网络使用这种AC／DC转换方式时，除了效能降低外，正弦波幅值附近的线电压发生形变。注意图1(c)和图1(d))，为了消除上述问题，提出了有源功率因数校正(PFC)电路，图1(d)给出了典型的有源PFC电路输入电压与电流波形。
3 功率因数校正电路
为了减少桥式整流器和滤波电容器构成的AC／DC转换方式产生的谐波电流，且在输入电压出现相位差时保持电流畅通，采用了类似图2所示的电路结构。这个基于脉宽调制(PWM)的电路非常流行且资料完备，但不是唯一的PFC结构。
升压PFC与升压型转换器的主要差别在于，PFC电路为了给电阻性负载产生输入电流波形，可以调制自身的输入电流消耗。如图2所示，输入电流波形从输入电压波形取样(在美国采用120Hz的矫正输入电压)，并及时调制Q1，结果是得到与输入电压在频率和相位方面相匹配的类正弦波形。图2给出的电阻性网络并非总是用来调制输入电流的方案结构，但却是非常流行的一款，其主要理由在于升压型转换器是目前大多数有源PFC电路的应用基础，这种升压作用能够将0V以上直至峰值电压的所有电路运用起来，从而节制了输入电流的畸变。
通常PFC电路要求配置一个较大值的滤波电容(C1)，在调制输入电流时可以滤掉低频成分。这些电路也会输出200～400V甚至更高的电压值(因为被升压的输入电压就是110V或者220V)，要求在PFC的输出级与负载之间增加一个转换级。我们不希望升压型转换器出现高输出电压值，但这是这种电路结构所不可避免的。开关式转换器除了电流控制电路外还包含有源PFC，而且要求在输入端配置复杂的滤波器降低噪声回馈，并滤除噪声。
4 双级式AC／DC转换器
可以驱动串联LED光源的典型AC／DC转换器，工作在48V左右(很多情况下输出非PFC转换器调整的近200V电压值)。因此AC／DC转换器通常后置PFC(一般配置变压器隔离输入端与输出端)，将来自功率因数矫正器的高压输出转换成适合驱动负载的电压输出。这种配置结构的优势在于，转换器可以使用大部分的DC输入电压直接驱动负载，允许高输入抑制比和高负载调节率，如果配置合理的话，其功率级可以驱动多组LED串，而且输出独立；其弊端在于，PFC和AC／DC转换器的损失严重，典型的功效是高端70％而低端80％。LED是一种用于照明的双刃性技术，而且寄希望于SSL的节能功效，因此高效驱动非常关键。另外，上述配置还要求一定数量的元器件和空间来放置双级转换电路，导致大量管脚引线和高成本。
5 单级式AC／DC转换器
限制管脚引线和元件数的一种方法是，把PFC从升压式改变成反激式结构，并增加一个隔离级进行网络反馈，该电路(如图3所示)获得了AC／DC的转换功效，并且能够得到或高于或低于输入电压值的输出。电路输出端也是独立的，这在很多照明应用中非常必要。所谓反激式变压器就是将能量从电源传输至负载，其工作原理与图2所示的升压式转换器一样，即电流在Q2开态的主期间内和Q2关态的副期间内流过。从输入电流的角度来看，升压式与反激式的主要区别在于，当Q2关态时反激式电路中没有电流。电路其它部分的工作原理与非隔离升压式PFC一样。如果这种结构配置合理的话，高端可得到80％的功效，低端可得到90％的功效，这与双级式相比降低了成本。而且这种电路结构继承了一定的抑制比和 适度的负载调节率，因而仅建议用于驱动LED这类对电压波动不太敏感的负载。上述电路构成了单组LED电流源，以及随后要讨论的多组LED电流源。
从LED的驱动经验可知，仅是稳定的DC电源还不够，因为LED需要恒流源来驱动，以避免热失控和其它失效现象发生，上述所描述的低压输出的确要求增加硬件实现LED的恒流驱动。这种类型的低压输出是非常普及的LED驱动源模式，它可以集成很多东西进来，减少了很多不同的供给源。比如照明设计人员可以用一个100W 24V的电源来配置1到1 1组LED光源，而每组6或7个LED。当然，每组光源均需要恒流驱动。另一种替代方法是采用配置有恒流源的电源驱动，但每组LED均需要一个驱动。这两种方法的优劣如表1所示。
6 配置电流输出的功率因数矫正电路
通过对电路做一个简单的修改，即将电压反馈回路改成电流反馈回路，如图3所示的功率因数矫正电路就变成了恒流输出而非恒压输出。这个反馈回路的改变就是PWM电压升压式与电流升压式的区别(两种驱动方式均为DC电源而非AC电源，因此不需要输出独立)。PWM升压电路只能驱动一组LED光源。正如前面所讨论的电路，单级式达不到双级式所具备的输入抑制比和输出负载调节率性能，但由于LED串是静态的，对负载变化的敏感度一般，则最低限度地输出负载调节率即可。所谓LED“对负载变化敏感度一般”的说法相当有弹性，这需要说明的是，LED光源不需要变化微小的驱动源来形成非常均匀且非常稳定的亮度。虽然很多情形下要求采用LED的电流放大调整模式而非PWM模式，但适度的PWM调光比是可以接受的。PWM调光比的问题在工程师与健康专家之间还有争论。通过PWM模式调光要求所有调光电路频率锁定(或者同步)，否则会出现调频或者闪烁现象。但调光同步的时候，相关频率设置得相当高，以致人的眼睛不能捕捉到(在某些情形下人的眼睛能够分辨到120Hz的频率)。这种“捕捉”会对癫痫病者，以及其它工业环境中对动作准确性要求严格的设备操作者带来健康问题。
7 线性电流源
线性电流源因为尺寸小、不需要昂贵元器件，所以是目前小功率运用(包括很多OEM的LED显示器)中最为广泛的电流源。制备线性电流源相当容易，很多可调电压稳压器可以方便地配置成为一台线性电流源。线性电流源的电路结构非常多，图4是广泛使用的其中之一，该电路基于普遍使用的电压和电流稳定IC芯片，其中U3是电路的核心，它通过不断与负载电流比较之后提供参考电位，实现稳流功能(通过Q3)。线性电流源的主要优势在于所用元器件少、低成本以及尺寸小：最大劣势在于比开关电流源(如降压式和PWM电流源)要求更多的裕度空间(因而消耗更多的能量)。线性电流源这种固有的功率耗散限制了其在低功耗中的应用，或者能够承受较大热沉以及较高器件连接温度的应用。
8 具备线性输出的合适功率因数矫正电路
我们为了能够采用AC输入驱动多组LED光源，必须考虑到的是集成一个合适的PWM升压式电路，且采用PFC控制器作为反馈结构。PFC部分工作同于低压电路，但必须基于线性电流源的裕度空间水平来规整其输出电压，如图5所示。该电路在低压应用和进行热管理的应用中工作极佳，在具备热管理的应用中，线性电流控制器件的功率消耗会产生额外的热量，这只能通过采取合适的热导方式将其散发到环境中。配置了PWM电路可以得到优良的调光比，配置了快速瞬态响应的离散线性电流源适度克服了PFC输出的差异和负载调整率问题。
9 滞后电流源
滞后电流源属于开关电流源，它会在一段时间内开通，在该时间内增加的电流作用在负载上(电感器决定电流增大速度)，并且通常耗散在线性电流源中的额外功率裕度存储在电感器中。一旦负载上的电流增大达到预定值(通常是超过设定输出电流值的10～20％)，电路脱离供给电源，并且存储在电感器中的能量释放到负载上：当流过存储电感器和负载的电流低于第二个设定值(通常是低于标准输出电流值的10～20％)时，电路重新连通供给电源，开始新的循环。尽管在每个上升下降周期内负载电流仅在两个非常短的瞬间达到预定值，但平均电流保持在理想值。滞后电流源本身功耗低，这点优于线性电流源，因此凭借自身热散耗优于线性功率源的特点，提高了功效，增强了驱动高功耗负载的性能。由于滞后电流源需要配置快速开关场效应晶体管(FET)、快速钳位二极管、大容量存储电感器，所以通常比线性电流源贵得多，但两者均展示出快速瞬态响应特性，这有利于得到高调光比(如图6所示)。
10 具备迟滞输出的功率因子矫正电路
在驱动多组LED光源的高功耗应用中，配置迟滞转换器的前级电路与固定输出电压之间存在差异是正常的。图7给出的PFC电路具备高功效和优良热特性的迟滞后级电路，可同时获得高调光比。这类迟滞电流源展示了理想的PFC输出差异和良好的负载调整率。
11 EMI滤波器
EMC规范了电子器件在几百千赫到几十兆赫之间所发出的电磁辐射量。除了对电子器件进行辐射量限制外，还要求其具备抗电磁辐射的能力。在断电的瞬间，电子器件必须能够快速抵抗电源功率的震荡作用。为了辐射达标且能够长期稳定工作，在供电电源与AC／DC转换器之间配置无源EMI滤波器，该滤波器的设计相当复杂，工艺繁琐，已超出本文讨论范畴。
12 结论
LED光源不断受到接纳，应用越来越广泛，对器件的需求量不断增加，现在最大的挑战是要求驱动器制造商与光源设计人员及产品整合商保持步调一致。从SSL中悟出的道理是，没有一种方案放之四海而皆准，应用电路结构多种多样，但每一种均是其应用方向的最佳解决方案。当选择了一种LED驱动方案时，一定要仔细考虑所需要的应用结果。