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完善的設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路 避免元件與系統(tǒng)損害

2007-05-23 作者:admin 來源:照明工程師社區(qū) 瀏覽量: 網(wǎng)友評論: 0

摘要: 高亮度LED再跨入成為液晶面板背光光源之后,高亮度LED的話題性熱度,瞬間被市場提升,高亮度LED也從傳統(tǒng)擔(dān)任顯示的角色轉(zhuǎn)變成為光源提供者,來取代傳統(tǒng)的冷陰極管。

前言:高亮度LED再跨入成為液晶面板背光光源之后,高亮度LED的話題性熱度,瞬間被市場提升,高亮度LED也從傳統(tǒng)擔(dān)任顯示的角色轉(zhuǎn)變成為光源提供者,來取代傳統(tǒng)的冷陰極管。

一般而言,絕大多數(shù)的中小尺寸面板,都是利用3~10顆的白光LED,采用串連的方式來作為背光光源,甚至于手機(jī)或PDA的鍵盤背光也多是利用LED作為輔助照明之用,再加上歐盟對于無汞化的要求,因此對于更新一代的LED的驅(qū)動(dòng)芯片和技術(shù),也就相當(dāng)?shù)乇皇袌鏊诖?/FONT>

由于傳統(tǒng)的冷陰極管是利用交流驅(qū)動(dòng),所以在整個(gè)的驅(qū)動(dòng)線路較為復(fù)雜,并且需要INVERTER(反向器),將產(chǎn)品機(jī)構(gòu)中所使用的直流電,轉(zhuǎn)換成高壓交流電來驅(qū)動(dòng),所以,在低耗電、電路簡單化、演色要求下,在中小面板的部分,采用白光LED來作為背光源已經(jīng)相當(dāng)普及了,并且白光LED除了有體積小、高亮度的優(yōu)點(diǎn)外,驅(qū)動(dòng)電路也較冷陰極管簡單。在多色LED電路驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)部分,大部分都是利用場序交互點(diǎn)燈的驅(qū)動(dòng)方式,藉此得以形成所謂的「Field Sequence」。好處是,可以讓多色LED與液晶面板的Sub-Pixel、彩色濾光片來達(dá)到同步,達(dá)到更廣的色彩表現(xiàn)范圍,不過就整體結(jié)構(gòu)的部分,需要搭配多色LED重新設(shè)計(jì),因?yàn)榘?,?dǎo)光板、色轉(zhuǎn)換電路等等,傳統(tǒng)的部分元件都需要重新開發(fā),雖然原件的材料上沒有太大不同,但是結(jié)構(gòu)上卻需要配合LED的點(diǎn)光源特性重新設(shè)計(jì)。

前言:高亮度LED再跨入成為液晶面板背光光源之后,高亮度LED的話題性熱度,瞬間被市場提升,高亮度LED也從傳統(tǒng)擔(dān)任顯示的角色轉(zhuǎn)變成為光源提供者,來取代傳統(tǒng)的冷陰極管。

一般而言,絕大多數(shù)的中小尺寸面板,都是利用3~10顆的白光LED,采用串連的方式來作為背光光源,甚至于手機(jī)或PDA的鍵盤背光也多是利用LED作為輔助照明之用,再加上歐盟對于無汞化的要求,因此對于更新一代的LED的驅(qū)動(dòng)芯片和技術(shù),也就相當(dāng)?shù)乇皇袌鏊诖?/FONT>

由于傳統(tǒng)的冷陰極管是利用交流驅(qū)動(dòng),所以在整個(gè)的驅(qū)動(dòng)線路較為復(fù)雜,并且需要INVERTER(反向器),將產(chǎn)品機(jī)構(gòu)中所使用的直流電,轉(zhuǎn)換成高壓交流電來驅(qū)動(dòng),所以,在低耗電、電路簡單化、演色要求下,在中小面板的部分,采用白光LED來作為背光源已經(jīng)相當(dāng)普及了,并且白光LED除了有體積小、高亮度的優(yōu)點(diǎn)外,驅(qū)動(dòng)電路也較冷陰極管簡單。在多色LED電路驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)部分,大部分都是利用場序交互點(diǎn)燈的驅(qū)動(dòng)方式,藉此得以形成所謂的「Field Sequence」。好處是,可以讓多色LED與液晶面板的Sub-Pixel、彩色濾光片來達(dá)到同步,達(dá)到更廣的色彩表現(xiàn)范圍,不過就整體結(jié)構(gòu)的部分,需要搭配多色LED重新設(shè)計(jì),因?yàn)榘?,?dǎo)光板、色轉(zhuǎn)換電路等等,傳統(tǒng)的部分元件都需要重新開發(fā),雖然原件的材料上沒有太大不同,但是結(jié)構(gòu)上卻需要配合LED的點(diǎn)光源特性重新設(shè)計(jì)。

圖說:由于傳統(tǒng)的冷陰極管是利用交流驅(qū)動(dòng),所以在整個(gè)的驅(qū)動(dòng)線路較為復(fù)雜,并且需要INVERTER,將產(chǎn)品機(jī)構(gòu)中所使用的直流電,轉(zhuǎn)換成高壓交流電來驅(qū)動(dòng)。(Dawoouv)

依需求發(fā)展出多元化的驅(qū)動(dòng)方式

對于驅(qū)動(dòng)白光LED來說,電路本身需要供給白光LED固定的電壓或固定的電流,而當(dāng)可攜式產(chǎn)品開始運(yùn)作后,就會(huì)產(chǎn)生電壓下降的現(xiàn)象,因而需要升壓元件來進(jìn)行升壓、穩(wěn)壓。大部分的電路設(shè)計(jì)多采用電容來維持穩(wěn)壓,這是考慮到避免升壓零件工作時(shí),對于射頻帶來一些影響,所以,就整體的電路來說,穩(wěn)壓設(shè)計(jì)是相當(dāng)重要的設(shè)計(jì),來提供白光LED驅(qū)動(dòng)所需要穩(wěn)定電壓電流,而就對于白光LED驅(qū)動(dòng)的部分,在本身的電路設(shè)計(jì)上,也發(fā)展出多元化的驅(qū)動(dòng)方式,保護(hù)相關(guān)元件以及提供所需的亮度。

因?yàn)長ED的特性是利用電流來驅(qū)動(dòng)的特性,所以LED的亮度表現(xiàn)與順向電流有等比的依存關(guān)系,所以對于LED亮度的調(diào)整就必須有效的控制順向電流變化,目前可以利用調(diào)整電流檢測電阻,以及整流電阻來達(dá)到控制順向電流。

采用整流電阻的目的是確保順向電流都能夠流向LED芯片,不過這樣的做法會(huì)因?yàn)轫樝螂妷旱母淖?,影響順向電流的?qiáng)弱,會(huì)造成順向電壓的改變有很多因素,例如溫度等等,這些都會(huì)使得LED亮度受到影響,產(chǎn)生功耗的浪費(fèi)以及縮短電池的壽命。

圖說:LED的特性是利用電流來驅(qū)動(dòng)的特性,所以LED的亮度表現(xiàn)與順向電流有等比的依存關(guān)系。(www.led365.com

然而采用整電流檢測電阻來確保順向電流變化的做法,相較之下是比較好的,因?yàn)槭褂秒娏鳈z測電阻可以確保流向LED的順向電流,也因此可以消除順向電壓變化所帶來的影響,如果期望改變LED順向電流的話,只需調(diào)整電流檢測電阻即可,不需要對整個(gè)輸入電源進(jìn)行改變。另一個(gè)好處是,如果驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED時(shí),只需要將多個(gè)LED進(jìn)行串聯(lián),因?yàn)殡娏鳈z測電阻的作用關(guān)系,因此也可以確保流入每個(gè)LED的電流都是固定的,但是這樣的做法對于并聯(lián)的LED,并不適當(dāng),因?yàn)楸仨氃诿總€(gè)并聯(lián)的LED中安置一個(gè)電流檢測電阻,當(dāng)然缺點(diǎn)就是成本會(huì)因此而增加,并且效率也會(huì)大打折扣,當(dāng)然也會(huì)影響電池的使用壽命。

所以事實(shí)上,設(shè)計(jì)完善的LED驅(qū)動(dòng)電路,不僅僅是確保LED的亮度能夠維持,更重要的是能夠保護(hù)電池的使用壽命,來增加可攜式產(chǎn)品在無來電源情況下的使用時(shí)間。另外還有一點(diǎn)是相當(dāng)重要的,因?yàn)橐话愣际抢幂敵龉β食暂斎牍β?,來判定電源效率,但是對于LED驅(qū)動(dòng)而言,在期望獲得亮度的情況下來定義輸入功率,所以并不能采用輸出功率除以輸入功率的方式,而是必須將LED功率除以輸入功率,所得到的結(jié)果才是正確的效率測量。

圖說:LED的特性是利用電流來驅(qū)動(dòng)的特性,所以LED的亮度表現(xiàn)與順向電流有等比的依存關(guān)系。(www.strong-hand.com

利用傳統(tǒng)類比與PWM方式進(jìn)行調(diào)光

大多數(shù)的可攜式產(chǎn)品,對于面板的背光都設(shè)計(jì)有調(diào)光功能,也就是說,在有無交流供電、待機(jī)模式等等的情況下,都會(huì)對背光的亮度進(jìn)行調(diào)整,來減少耗電,延長電池的使用時(shí)間,目前有PWM或者類比(電壓調(diào)整法)等兩種的方式來對白光LED進(jìn)行電流的控制與驅(qū)動(dòng),達(dá)到點(diǎn)滅控制、多段式亮度等等。

類比的電壓調(diào)整方法,就是單純的改變輸入電流,也就是說,所改變的輸入電流比例也就直接地影響白光LED的明暗,這樣的方式如果對于電流量的操控不夠精準(zhǔn)的話,些許的電壓變化會(huì)造成輸入電流產(chǎn)生變動(dòng),而使得白光LED難以達(dá)到所預(yù)期的亮度,但是如果要能夠精確的讓白光LED產(chǎn)生期望亮度的話,那么就需要相當(dāng)復(fù)雜的電路設(shè)計(jì),此外因?yàn)檫^大的電流,這會(huì)使得設(shè)計(jì)困難度與成本都大幅度的增加,此外還會(huì)對白光LED的波長產(chǎn)生影響,出現(xiàn)LED顏色偏移,一般而言使用,類比電壓調(diào)整方式的情況不大多見,所以目前大多是利用PWM的方式來進(jìn)行調(diào)光。PWM是利用改變白光LED的Duty Cycle,改變周期百分比、頻率來進(jìn)行控制亮度,因此利用PWM調(diào)光可以達(dá)到相當(dāng)精細(xì)的調(diào)整,不過,采用PWM方式的話,必須將工作頻率提高到100Hz,因?yàn)槿绻陀?00Hz的話,就會(huì)被眼睛察覺出PWM的脈沖現(xiàn)象,因此電源啟動(dòng)與回應(yīng)時(shí)間是關(guān)鍵的條件。

圖說:PWM是利用改變白光LED的Duty Cycle,改變周期百分比、頻率來進(jìn)行控制亮度,因此利用PWM調(diào)光可以達(dá)到相當(dāng)精細(xì)的調(diào)整。(www.web-smoker.de

降壓式驅(qū)動(dòng)與升壓式驅(qū)動(dòng)各有優(yōu)缺

利用PWM調(diào)光的方式,有兩種類型,包括升壓式和降壓式,一般而言較多人使用升壓式的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),這也意味著可以利用低于3V的電源來驅(qū)動(dòng)白光LED,達(dá)到減少由電池所占據(jù)的體積,完成輕薄的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

采用升壓驅(qū)動(dòng)方式的好處是,如果FET毀損不會(huì)導(dǎo)致LED也被燒毀、輸入電流的濾波比較簡單、可以簡化LED電流的偵測、簡化PWM調(diào)光控制負(fù)擔(dān),根據(jù)業(yè)者的評估,升壓電路的效率可以高達(dá)90%左右。但是也是有缺點(diǎn),升壓式的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),由于本身并不具有固定電流功能,如果當(dāng)電壓超過限值時(shí),有可能會(huì)對LED或者電路中其它元件造成損毀。

目前,升壓電路可以利用2種模式來完成:連續(xù)導(dǎo)通模式,以及不連續(xù)導(dǎo)通模式。這2種模式都是利用電感電流的波形來決定。連續(xù)導(dǎo)通模式是用在,輸入電流大于1安培時(shí),輸出電壓與輸入電壓比值小于或等于6,如果需要更大的輸出電壓與輸入電壓比就必須采用不連續(xù)導(dǎo)通模式,不過不連續(xù)導(dǎo)通模式產(chǎn)生較大的電流,有可能造成電感的毀損,也會(huì)讓均方根電流增加,因此兩者相較之下,不連續(xù)導(dǎo)通模式的效率較低。

而至于降壓式的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),也有工程設(shè)計(jì)師偏愛使用,降壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是,結(jié)構(gòu)比較簡單,并且成本也不至于太高,不過部分設(shè)計(jì)不佳的降壓驅(qū)動(dòng)芯片解決方案,當(dāng)面對驅(qū)動(dòng)電壓較高時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的功耗,使得電池的使用壽命減少,并且會(huì)產(chǎn)生高熱的情況。所以,目前有業(yè)者開始開發(fā)具有固定電流功能的降壓白光LED驅(qū)動(dòng)芯片,避免因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路出現(xiàn)問題時(shí),過高的電流造成LED損毀。

圖說:PWM是利用改變白光LED的Duty Cycle,改變周期百分比、頻率來進(jìn)行控制亮度,因此利用PWM調(diào)光可以達(dá)到相當(dāng)精細(xì)的調(diào)整。(www.ualg.pt

過壓保護(hù)延長電池的使用壽命

就如前述,對于白光LED驅(qū)動(dòng)而言,最佳的狀況是電源電路能夠提供穩(wěn)定的電壓以及電流,來驅(qū)動(dòng)白光LED,但是在電路的運(yùn)作過程中,難免都會(huì)出現(xiàn)突波現(xiàn)象,如果負(fù)載電阻增大,相對的電源的輸出電壓也必須隨之增加,所以對于利用固定電流驅(qū)動(dòng)的白光LED,就必須設(shè)計(jì)出過壓的保護(hù)措施,在出現(xiàn)過大負(fù)載時(shí),也都能維持固定的電流提供LED驅(qū)動(dòng)。目前提供過壓保護(hù)這一方面,可以利用穩(wěn)壓二極管與LED進(jìn)行并聯(lián),這樣可以將電壓維持在穩(wěn)壓二極管最大承受范圍之內(nèi),當(dāng)出現(xiàn)電壓高于穩(wěn)壓二極管擊穿點(diǎn)的過壓的現(xiàn)象時(shí),可以讓電壓流到電流檢測電阻,藉此保護(hù)白光LED元件,所以利用穩(wěn)壓二極管和白光LED元件并聯(lián)的方式可以確保流入白光LED的電壓電流值都在固定的狀態(tài)。此外也有設(shè)計(jì)者利用監(jiān)控的方式來維持電源的穩(wěn)定,透過監(jiān)控機(jī)制的管理,當(dāng)出現(xiàn)電源過壓的情況時(shí),立即關(guān)閉電源,來保護(hù)白光LED元件,并且可以延長電池的使用壽命。

圖說:利用穩(wěn)壓二極管與LED進(jìn)行并聯(lián),這樣可以將電壓維持在穩(wěn)壓二極管最大承受范圍之內(nèi)。(www.img.alibaba.com

斷電機(jī)制經(jīng)常被工程師所遺忘

斷電機(jī)制也是LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中,需要考量的機(jī)制之一,不過卻會(huì)被工程師遺忘,而產(chǎn)生縮短產(chǎn)品使用壽命的情況。

因?yàn)樵陔妷恨D(zhuǎn)換器斷電期間,還是會(huì)出現(xiàn)負(fù)載經(jīng)由電感以及二極管連接著輸入電壓,這是由于輸入電壓與LED處于連接的狀態(tài)下,即使是電源不再供應(yīng),但是還是會(huì)產(chǎn)生些許的電流,如此處在經(jīng)常都是如此狀況下的話,那么漏電流就會(huì)對電池帶來影響,使得電池的使用壽命大幅縮短。因此負(fù)載斷開的設(shè)計(jì),對于整體的電路來說,還是有存在的必要性。

另外,如果沒有負(fù)載斷開機(jī)制的話,還會(huì)對PWM調(diào)光的部分帶來影響,因?yàn)楫?dāng)電源不提供電流時(shí),輸出電容還是會(huì)和白光LED連接著,所以,電力仍舊會(huì)慢慢地流向白光LED,當(dāng)電源被打開,PWM調(diào)光機(jī)制重新運(yùn)作的時(shí)候,電容在每個(gè)PWM循環(huán)開始時(shí),都會(huì)產(chǎn)生放電的現(xiàn)象,并且將輸出電容充電,因此當(dāng)每個(gè)PWM循環(huán)開始時(shí),就會(huì)出現(xiàn)突波脈沖,如果此時(shí)過壓保護(hù)機(jī)制設(shè)計(jì)不佳的話,那么就會(huì)直接對白光LED造成程度不一的傷害。此外,突波脈沖更會(huì)使得整個(gè)的系統(tǒng)效能下滑。所以,在電源電路中加入斷電機(jī)制時(shí),LED就會(huì)與電源隔絕,當(dāng)電源不再提供電力時(shí),就不會(huì)出現(xiàn)漏電流的現(xiàn)象,并且PWM進(jìn)行重新運(yùn)作時(shí),因?yàn)殡娙荻际浅錆M電力的情況,也不至于突波脈沖。

圖說:當(dāng)電源不提供電流時(shí),輸出電容還是會(huì)和白光LED連接著,所以,電力仍舊會(huì)慢慢地流向白光LED。(www.pcpop.com

完善的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路來保護(hù)電路

目前,全球各大解決方案業(yè)者,都積極開發(fā)結(jié)構(gòu)更加完整、背光效率更高的白光LED驅(qū)動(dòng)電路,提供工程設(shè)計(jì)師更簡化的設(shè)計(jì),以及更完善的電路保護(hù),對于白光LED驅(qū)動(dòng)來說,無論是采用那種驅(qū)動(dòng)方式,最重要的還是能夠完善的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路,來保護(hù)電路中的各項(xiàng)元件,以避免不必要的突波或增加無謂的功耗,且可提高可攜式產(chǎn)品以及電池的使用壽命與時(shí)間。

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