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多LED阵列的高效驱动方案

发布时间:2020-06-30 19:54:38 阅读: 来源:箱体厂家

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。

本文引用地址: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CAT4026 6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CAT4026 LED控制器的升压转换器。

CAT4026 VCS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SOIC 28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。

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