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大功率LED的電流分配問題

發(fā)布時間:2009-12-28 來源:21IC

中心議題:
  • 大功率LED的電流分配問題
解決方案:
  • 通過檢測和調節(jié)VTM的輸入電流來控制其輸出電流
  • 帶一個簡單的外部電流檢測電路的PRM可以用作恒流源
因為冷陰極熒光燈(CCFL)成本非常低,通常大屏幕液晶顯示器(LCD)使用CCFL作為背光源產(chǎn)生均勻的白光。不過將發(fā)光二極管(LED)用作背光燈正在引起主要制造商們的注意。LED在尺寸、能量效率、光譜純度、機械強度、可靠性和消除汞等有害物質方面都勝過CCFL。

白光可以來自單個白色LED;也可以由三個獨立的色譜與LCD像素色彩濾波器非常匹配的R-G-B LED產(chǎn)生。該技術可以大幅提高發(fā)光效率和色彩范圍,從而使顯示效果更加清晰、鮮艷。目前采用CCFL背光燈的LCD只能產(chǎn)生70-80%的NTSC制顏色,而采用LED背光燈的新型顯示器可以產(chǎn)生NTSC制式中定義的所有顏色,甚至還能產(chǎn)生NTSC定義范圍之外的顏色。利用LED超快的開關時間,背光強度可以被調節(jié),從而進一步增強圖像對比度,減少快速運動圖像產(chǎn)生的拖尾現(xiàn)象。

想在小屏幕LCD監(jiān)視器(一般是19英寸)中替換CCFL,可以在外殼四周部署三色LED器件來代替CCFL管。通常只是光源被更換(從CCFL到LED串),外殼、光導和光膜可以保持不變。而對較大尺寸的LCD(20英寸以上)而言,由于要求較高的光通量,可以在LCD面板背后直接部署LED矩陣,并使必要的擴散層和光膜夾在這些LED矩陣之間。 LED矩陣大小隨面板尺寸而變,一般為幾百個LED。為了確保均勻的照明,需要在標準的光膜上使用專門的衍射散射層。隨著技術的進步,半導體芯片的輸出亮度會越來越高,因此串聯(lián)式或矩陣式LED中的LED數(shù)量可以變少,從而進一步降低材料和系統(tǒng)成本。

然設計師還必須面對諸多的挑戰(zhàn),比如在溫度變化和LED逐漸老化的情況下保持光譜的一致性。不過這種技術是很有前途的。一些主要的筆記本電腦制造商正計劃推出更多采用LED背光燈的產(chǎn)品。大屏幕電視機制造商也已經(jīng)在這方面投入大量資源,因此LED背光燈有望在消費類市場中越來越流行。

最近在背光燈面板技術方面有所突破,已經(jīng)可以在LCD的背光面板中使用最新推出的高亮度白色LED。這些新的LED需要封裝尺寸非常小、功率達200W的4V直流電源。這種設計采用的是一家非上市公司發(fā)明的專利技術,這家公司致力于開發(fā)和銷售創(chuàng)新的高動態(tài)范圍(HDR)圖像技術。這種技術可以用來制造更高亮度的顯示器。通過使用增強型視頻處理算法調整LED的亮度,所發(fā)出的亮度可以比傳統(tǒng)的LCD高10倍。背光燈中的每個LED都是獨立可尋址的,因此光強度可以逐幀甚至逐個微區(qū)域地動態(tài)改變。這種技術可以實現(xiàn)更高動態(tài)范圍的顯示器,與以前技術相比可以使黑的地方更黑,亮的地方更亮,從而顯著提高圖像的清晰度。該技術已經(jīng)在一些高端成像設備使用的大屏幕顯示器(37和46英寸高清晰顯示器)中得到應用。

這些新的LED需要封裝尺寸非常小、功率可達200W的4V直流電源。以前的產(chǎn)品都是使用一個500A的5.5V電源,在顯示器中處理這么大的電流分配非常困難。中轉總線變換器(BCM) 是一種V·I晶片模塊,設計用于大功率LED應用以解決電流分配問題。BCM采用了Vicor公司獲得專利的正弦幅度轉換器(SAC)拓撲結構,具有先進的功率密度、效率和低噪聲性能。BCM的外形尺寸只有1.1平方英寸,典型重量為15克,可以提供一個隔離和降壓電壓供非隔離負載點轉換器(niPOL)使用。由于它具有快速響應和低的輸出噪聲,負載端常用的壽命有限的鋁電解或鉭電容可以被減少或取消,從而有效節(jié)省電路板面積、材料和總體系統(tǒng)成本。

現(xiàn)在系統(tǒng)可以用更低的電流分配48V電壓到任意位置,然后再局部降壓至大電流的4V。每塊大板上有4塊小板組成1個系統(tǒng),因此每個系統(tǒng)中總共有16個 BCM。結果是每塊板運行于200A、4V的電源。相反,如果系統(tǒng)由一個大電源支持,它需要一個800A的電源,當然這樣的電源是很危險的。這就是為何 20A的48V電壓被分配到各個板的原因,這種電源具有更高的可管理性和相當好的熔斷性。

BCM因為以下幾大因素而成為恰當?shù)慕鉀Q方案。首先是BCM的尺寸和效率,它不需要使用任何專門的散熱器。其次,它工作在48V的安全電壓(SELV)。BCM還能提供針對不同應用優(yōu)化了的不同標準的輸出電壓。通常上述應用中的系統(tǒng)輸入電壓需要調整到4.1V至4.2V的工作電壓。由于BCM是一種轉換器而不是一種穩(wěn)壓器,設計師可以使用高達48V的輸入電壓來獲得他們所需的指定輸出電壓。

其它背光方案要求用恒定電流來驅動串連著的大功率LED陣列。一般來說,恒定電流是用來確保可預測的發(fā)光亮度和色度值。V·I晶片非隔離預穩(wěn)壓模塊 (PRM)穩(wěn)壓器和倍增電流電壓轉換模塊(VTM)電壓變換器雖然主要設計用于利用自適應環(huán)路穩(wěn)壓方法提供穩(wěn)定的電壓,但也可通過簡單的電路修改而達至恒定的輸出電流。

與傳統(tǒng)方法相比,使用PRM和VTM提供恒定電流具有許多優(yōu)點。在系統(tǒng)中使用VTM可以倍增負載點的電流,VTM的輸出電流正比于它的輸入電流(如以下公式1所示)。

其中K是VTM的K系數(shù),或簡單地將其稱之為降壓比。

因此在受控的電流應用中,可以通過檢測和調節(jié)VTM的輸入電流來控制其輸出電流。檢測更低的電流需要更小的傳感器,從而消耗更低的功率,提高總體效率。另外,V·I晶片本身也具有很高的效率和功率密度,使得整個LED系統(tǒng)體積小、溫度低,并能使每瓦功耗得到的輸出流明數(shù)最大。
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大多數(shù)已知的LED類型可以用單個PRM+VTM對驅動。PRM用內部電壓環(huán)路預先進行配置,以便將PRM的輸出電壓調整到一個設定值。PRM的內部工作原理應該非常好理解,因為外部恒流電路是設計與內部電壓控制環(huán)路一起工作的,可以通過改變PRM電壓參考值來調節(jié)VTM的輸出電流。

PRM內部電壓控制環(huán)路的簡化框圖如圖1所示。內部參考通過一個10k的電阻和0.22uF的電容連接到PRM的SC端口,用于實現(xiàn)軟啟動功能。SC電壓可以通過增加外部電阻或施加外部電壓進行調整。SC端口處加的電壓不應超過6Vdc。


圖1:PRM內部誤差放大器的功能圖。

SC電壓經(jīng)緩沖后通過電阻分壓器反饋給誤差放大器,其中電阻分壓器被表示為0.961的增益塊。R68形成了電壓檢測電阻分壓器的上半部分。這個電阻對每個PRM來說都是固定的。分壓器的下半部分是通過在OS引腳和SG(ROS)之間增加一個電阻形成的。公式1將PRM輸出定義為VSC和ROS的函數(shù)。從公式1可以看出,對于給定的ROS電阻,調整SC電壓可以確定PRM輸出電壓。這就是外部電流控制電路控制輸出所采用的方法。




其中:VSC是PRM的SC引腳處的電壓,ROS是OS與PRM的SG之間的電阻,R68是PRM內部電阻。

推薦的電流控制電路如圖2所示。由于VTM是一個電流乘法器,VTM的輸出電流可以由它的輸入電流進行調節(jié)。這種方法的優(yōu)點是可以在VTM電流乘法電路之前(在更高的電壓點)檢測電流,從而減少外部分流電路的I2R功耗。另外,控制電路保持在主電路(PRM)側,因此無需隔離反饋信號。



上述電路由電壓參考、分流電阻、差分放大器和誤差放大器組成。低端檢測電路是在PRM輸出端用配置為差分放大器的一個運放實現(xiàn)的。分流電阻(R1)上的電壓經(jīng)檢測并被放大電阻R2到R5確定的增益倍數(shù)。參考電壓使用精確可調的分流參考產(chǎn)生,并連接到誤差放大器的同相端子。這是誤差放大器用以與差分放大器輸出(VSENSE)比較的電壓。誤差放大器的輸出(VEAO)經(jīng)過電阻R7和R8連接到SC,從而實現(xiàn)PRM輸出設置點的調整。誤差放大器將調整PRM輸出電壓,直到VSENSE等于參考電壓VREF。這將迫使VTM輸入電流以及VTM輸出電流成為由VREF確定的常數(shù)。

帶一個簡單的外部電流檢測電路的PRM可以用作恒流源。VTM將分比式總線電壓變換為從0.8到55V的適合不同顏色LED的電壓(例如,6V用于藍色LED、14V用于琥珀色,24V用于綠色)

分比式電源架構(FPA)的靈活性允許相同的PRM驅動用于不同顏色LED的不同VTM(不同的K因子),同時由于只使用另外一個PRM模型,在不同的輸入源電壓下相同的VTM可以保持不變。另外,VTM可以放置在大電流的負載點旁以盡量減少電壓下降和功耗。

在上游增加一個帶高壓BCM總線轉換器(380V)的PFC前端后,就能向下游中的PRM/VTM或BCM提供一條48V總線,用于驅動針對不同顏色(低功率LED)的LED驅動器。這將成為一個PFC交流到直流電源,可向0.8V到55V的大功率LED陣列供電。

48V到4V BCM是一種高效率(>94%)、窄輸入范圍的正弦幅度轉換器,采用了新型的直流-直流轉換器拓撲結構,可以用來給非隔離式POL轉換器供電,或用作一個獨立源。BCM非常小,面積只有1.1in2每平方英寸功率達210W,而且重量輕,只有0.5盎司,但功率密度可達876W/in3


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