省電、高亮度LED需要高性能LED驅(qū)動(dòng)器

　　背景

　　在很多家庭、機(jī)構(gòu)、政府和工業(yè)應(yīng)用中，高亮度 (HB) 白光 LED 正在快速取代白熾燈照明。在很多情況下，較高效率的 LED 可將功耗降低多達(dá) 88%，從而大幅降低給 LED 供電而發(fā)電所需的碳排放量。根據(jù)計(jì)算，如果將傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈轉(zhuǎn)變?yōu)?LED 照明，那么全世界總能源消耗量可能節(jié)省多達(dá) 10%。LCD 高清電視機(jī) (HDTV) 應(yīng)用是增長(zhǎng)最快的 LED 市場(chǎng)之一，對(duì)于大型 LCD-TFT 平板背光照明來(lái)說(shuō)，白光 LED 陣列正在取代 CCFL 照明。LED有更高的效率、更長(zhǎng)壽命以及能夠提供局部調(diào)光功能，已經(jīng)使 LCD 高清電視機(jī)能夠獲得超過(guò) 7,000,000:1 的對(duì)比度，這相比基于 CCFL 的設(shè)計(jì)高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，LED 外形扁平，使高清電視機(jī)能夠制造成厚度僅為 1.5 英寸，同時(shí)大幅降低高清電視機(jī)所需的電力。

　　隨著LED照明在這么多應(yīng)用中激增，LED市場(chǎng)的增長(zhǎng)率也在持續(xù)加速，即使在當(dāng)下這種經(jīng)濟(jì)艱難時(shí)期也一樣。盡管預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)各不相同，但是趨勢(shì)是明顯的：高亮度LED市場(chǎng)正在以高得驚人的速度增長(zhǎng)。根據(jù)法國(guó)Yole Development公司的市場(chǎng)調(diào)查，到2012年，所有類型LED的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到103億美元。其中，高亮度和超高亮度LED (ILED ≥ 100mA)合起來(lái)將占大約44.5億美元，這幾乎是 2007年7.83億美元市場(chǎng)規(guī)模 (基于封裝LED計(jì)算) 的 5.5 倍。迄今為止，這種增長(zhǎng)大多數(shù)由較小電流的LED主導(dǎo)，主要在100~500mA范圍。不過(guò)，較大電流的LED應(yīng)用正在變得更加普遍，這類應(yīng)用需要2~20A電流驅(qū)動(dòng)單個(gè)LED。首批大電流LED出現(xiàn)在汽車前燈中，現(xiàn)在從大功率建筑照明到高性能DLP (Digital Light Projection) 投影儀，LED可以在各種應(yīng)用中見(jiàn)到。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，這些應(yīng)用性能的提高將繼續(xù)促進(jìn)大電流LED的高速增長(zhǎng)。隨著人們加速努力降低因生產(chǎn)能源而導(dǎo)致的碳排放總量，LED可使全球照明的使用能源減少10%，而這為向LED照明的轉(zhuǎn)變?cè)黾恿藙?dòng)力。

　　正在興起的大功率LED應(yīng)用

　　大電流LED的推出使利用這些LED的大功率照明應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，從而取代了效率相對(duì)低的白熾燈。在建筑照明和DLP投影儀等應(yīng)用中，傳統(tǒng)上需要500~1000W的鹵素?zé)?，?20A LED可以提供同樣的光輸出(以流明為單位)，但是僅需要相當(dāng)于鹵素?zé)?0%的電力。在建筑應(yīng)用中，LED驅(qū)動(dòng)器的效率必須非常高，而且能提供寬的調(diào)光比，以在多種環(huán)境條件下保持恒定的光輸出。在高端DLP投影應(yīng)用中，紅、綠和藍(lán)(RGB)光LED陣列取代了傳統(tǒng)的鹵素?zé)簟⑸喓顽R陣(MEM)。不過(guò)，為了準(zhǔn)確地混合顏色，LED驅(qū)動(dòng)器必須能夠在兩個(gè)不同的穩(wěn)定峰值電流狀態(tài)之間快速切換，而且能夠覆蓋PWM調(diào)光范圍而不會(huì)有中斷。設(shè)計(jì)能夠滿足這些苛刻的速度和準(zhǔn)確度要求的大電流LED驅(qū)動(dòng)器IC，同時(shí)優(yōu)化總體效率，給IC設(shè)計(jì)師帶來(lái)了很多新的挑戰(zhàn)。

　　用于DLP投影儀的LED照明

　　高端DLP投影儀歷史上一直使用大功率白熾燈以及色輪和鏡陣，以投射相對(duì)高分辨率的圖像。

　　隨著很多這類投影儀需要500W甚至5kW的燈，整個(gè)系統(tǒng)的熱量管理成為主要的設(shè)計(jì)障礙。甚至在有大量熱量管理系統(tǒng) (這些系統(tǒng)需要恒定氣流冷卻) 的情況下，燈的壽命也相對(duì)較短，而且更換非常昂貴。新的設(shè)計(jì)用一個(gè)大電流RGB LED陣列取代大功率燈、色輪和鏡陣，這極大地減少了浪費(fèi)的熱能，同時(shí)改善了顏色混合的準(zhǔn)確度，極大地提高了對(duì)比度和總體分辨率。不過(guò)，為了達(dá)到想要的性能水平，這些 LED 需要獨(dú)特的 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。首先，驅(qū)動(dòng)器必須能夠提供高達(dá) 20A 的連續(xù) LED 電流和高達(dá) 40A 的脈沖電流。其次，驅(qū)動(dòng)器必須提供超過(guò) 90% 的效率，以最大限度地減少對(duì)熱量問(wèn)題的考慮。最后，為了實(shí)現(xiàn)顏色混合所需的寬動(dòng)態(tài)范圍，驅(qū)動(dòng)器必須能夠在 3 個(gè)良好穩(wěn)定的電流狀態(tài)之間快速和準(zhǔn)確地切換，而且沒(méi)有任何中斷。

　　LT3743

　　LT3743 是一種同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，為提供恒定電流以驅(qū)動(dòng)大電流 LED 而設(shè)計(jì)。該器件的 5.5~36V輸入電壓范圍使其非常適用于多種應(yīng)用，包括工業(yè)、DLP 投影和建筑照明。LT3743從一個(gè)標(biāo)稱 12V 的輸入提供高達(dá) 20A 的連續(xù) LED 電流，從而提供超過(guò) 80W 的功率。在脈沖 LED 應(yīng)用中，該器件可以提供高達(dá) 40A 的 LED 電流或從一個(gè) 12V 輸入提供 160W 功率。高達(dá) 95% 的效率使得無(wú)需外部散熱措施，并極大地簡(jiǎn)化了熱量設(shè)計(jì)。一個(gè)頻率調(diào)節(jié)引腳使用戶能夠在 100kHz 至 1MHz 之間設(shè)定頻率，因此設(shè)計(jì)師們可以優(yōu)化效率，同時(shí)最大限度地減小外部組件尺寸。LT3743 有 PWM 和 CTRL_SELECT 調(diào)光 (參見(jiàn)圖 1)，在 3 種 LED 電流值上提供 3000:1 的調(diào)光能力，從而使該器件非常適合諸如 DLP 投影儀中所需的那類顏色混合應(yīng)用。類似地，LT3743 獨(dú)特的拓?fù)涫顾軌蛴貌坏?2ms 的時(shí)間在兩個(gè)穩(wěn)定的 LED 電流值之間轉(zhuǎn)換，從而在 RGB 應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了更準(zhǔn)確的顏色混合。

　　高效率工作

　　在驅(qū)動(dòng)要求驅(qū)動(dòng)電流高達(dá) 20A 的 LED 時(shí)，轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。首先，為了保持 LED 在提供光時(shí)的高效率，IC 驅(qū)動(dòng)器還必須提供高效率，以最大限度地減少以熱量形式浪費(fèi)的能源。其次，很多應(yīng)用 (諸如 DLP 投影儀和建筑照明) 都需要占板面積非常緊湊的解決方案。結(jié)果，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 不應(yīng)該需要任何附加的散熱措施來(lái)消散浪費(fèi)的功率。LT3743 運(yùn)用一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)面向 CTRL_L 和 CTRL_H 電流電路采用同步整流和外部切換的負(fù)載電容器，從而為最常需要的占空比提供高于 90% 的效率。

　　圖 2 顯示 LT3743 的效率怎樣隨著占空比變化，同時(shí)用 2A 至 20A 的電流驅(qū)動(dòng)一個(gè)綠光 LED。其他工業(yè)應(yīng)用，諸如激光二極管驅(qū)動(dòng)器，在脈沖應(yīng)用中也需要這樣的高效率。

　　三態(tài)電流控制

　　LT3743 運(yùn)用一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)三態(tài)電流控制，面向每一個(gè)電流值都具有 3000:1 的調(diào)光比。圖 3 顯示了這些不同的電流值是怎樣控制的。首先，當(dāng) PWM 信號(hào)變高時(shí)，它將 LED 電流設(shè)置為從零到由 CTRL_L 設(shè)定的電流值，在這個(gè)例子中，ILED = 2A。然后，當(dāng) CTRL_SEL 引腳變高時(shí)，ILED = 20A。所有這些電流值都保持 ±6% 的準(zhǔn)確度，從而確保一致的亮度。相反，當(dāng) CRTL_SEL 變低時(shí)，ILED 返回到 2A，而當(dāng) PWM 信號(hào)變低時(shí)，ILED 進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。LT3743 單獨(dú)的 CTRL_L 和 CTRL_H 控制環(huán)路使這些電流值能夠以約 2ms 的時(shí)間非常快地轉(zhuǎn)換，同時(shí)保持非常高的效率。

　　這種三態(tài)電流控制實(shí)現(xiàn)了高端 DLP 投影儀應(yīng)用，這類應(yīng)用利用 RGB LED 提供前所未有的顏色準(zhǔn)確度和動(dòng)態(tài)范圍。圖 4 顯示，與兩態(tài)控制相比，三態(tài)電流控制是如何提供更高性能。傳統(tǒng)上，兩態(tài)控制視相對(duì)占空比的不同而有所變化，或者完全接通、或者徹底斷開(kāi)每一個(gè) RGB LED，以確定顏色。這使投影顏色準(zhǔn)確度完全取決于單個(gè) LED 的顏色準(zhǔn)確度，而 LED 的顏色準(zhǔn)確度可能有相當(dāng)大的變化。不過(guò)，因?yàn)楦叨?DLP 投影儀需要最高質(zhì)量的圖像和彩色再現(xiàn)，所以需要一種新的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的高質(zhì)量。也就是說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)最高的顏色準(zhǔn)確度，單個(gè) LED 中的變化必須通過(guò)與其它兩個(gè)彩光 LED 混合來(lái)校正，以提供最準(zhǔn)確的顏色。例如，當(dāng)紅光 LED 以滿電流接通時(shí)，藍(lán)光和綠光 LED 以較低的電流值接通，這樣它們就可以混合，以產(chǎn)生最準(zhǔn)確的紅色。PWM 和 CRTL_S 引腳上 3000:1 的調(diào)光能力進(jìn)一步擴(kuò)大了混合顏色的動(dòng)態(tài)范圍。這種顏色混合的相互作用方式可以在圖 4 中看到。

　　電流值之間的快速轉(zhuǎn)換

　　為了保持最準(zhǔn)確的顏色混合能力，LED 驅(qū)動(dòng)器不僅必須在 3 種不同的電流值上提供三態(tài)電流控制和準(zhǔn)確的 PWM 調(diào)光，而且還必須從相對(duì)低電流的穩(wěn)定狀態(tài) (約為 2A) 轉(zhuǎn)換到高得多的穩(wěn)定電流值 (約為 20A)，以維持 PWM 調(diào)光邊緣的原狀。LT3743 的獨(dú)特設(shè)計(jì)使該器件能夠非常快地進(jìn)行這類轉(zhuǎn)換。即正如在圖 5 中可以看到的那樣，LT3743 可以在不到 2ms 的時(shí)間內(nèi)從 2A 恒定電流狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 20A 狀態(tài)，從而使該器件非常適用于顏色混合 RGB 應(yīng)用。

　　除了 RGB LED 顏色混合應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)大功率激光二極管的工業(yè)應(yīng)用也需要這種在兩個(gè)很好穩(wěn)定的電流值之間轉(zhuǎn)換的能力，如在約 2~5ms 的時(shí)間范圍內(nèi)，從 2A 轉(zhuǎn)換到 20A，以實(shí)現(xiàn)脈沖激光應(yīng)用。

　　結(jié)論

　　在大電流LED 應(yīng)用中使用的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC，已經(jīng)產(chǎn)生了很多具體的性能要求。首先，要求這些 IC 最大限度地提高 LED 解決方案的總體效率，以降低對(duì)能源需求。其次，它們必須提供占板面積緊湊和扁平的解決方案，以滿足小尺寸和外形扁平的應(yīng)用的需求。最后，基于 LED 的解決方案必須提供比其前輩白熾燈更高的性能優(yōu)勢(shì)。例如，在工業(yè)應(yīng)用中，這類應(yīng)用包括從大功率內(nèi)部/外部照明到驅(qū)動(dòng)激光二極管以切割和原材料成形的各種應(yīng)用。所有這些應(yīng)用都需要大幅降低所需的電力，但是又需要非常具體的性能改進(jìn)。