省电、高亮度LED需要高性能LED驱动器

分享到:

作者:凌力尔特公司电源产品部高级产品市场工程师 Jeff Gruetter


背景

在很多家庭、机构、政府和工业应用中,高亮度 (HB) 白光 LED 正在快速取代白炽灯照明。在很多情况下,较高效率的 LED 可将功耗降低多达 88%,从而大幅降低了为给 LED 供电而发电所需的炭排放量。根据一些计算,如果从传统白炽灯和荧光灯转变到 LED 照明,那么目前全世界需要的总能源量可能节省多达 10%。可以发现,LCD 高清电视机 (HDTV) 应用是增长最快的 LED 市场之一。对于高清电视机应用中的大型 LCD-TFT 平板背光照明来说,大型白光 LED 阵列正在取代 CCFL 照明。LED 有更高的效率、长寿命以及能够提供局部调光功能,已经使 LCD 高清电视机能够获得超过 7,000,000:1 的对比度,这相比基于 CCFL 的设计高了几个数量级。此外,LED 外形扁平,使高清电视机能够制造成厚度仅为 1.5 英寸,同时大幅降低高清电视机所需的电力。

因此,毫不奇怪,随着 LED 照明在这么多应用中激增,LED 市场的增长率也在持续加速,即使在当下这种经济艰难时期也一样。尽管预测数据各不相同,但是趋势是明显的:高亮度 LED 市场正在以高得惊人的速度增长。根据法国 Yole Development 公司的市场调查,到 2012 年,所有类型 LED 的市场规模将达到 103 亿美元。其中,高亮度和超高亮度 LED (ILED ≥ 100mA) 合起来将占大约 44.5 亿美元,这几乎是 2007 年 7.83 亿美元市场规模 (基于封装 LED 计算) 的 5.5 倍。迄今为止,这种增长大多数由较小电流的 LED 主导,主要在 100mA 至 500mA 范围。不过,较大电流的 LED 应用正在变得更加普遍,这类应用需要 2A 至 20A 电流驱动单个 LED。首批大电流 LED 出现在汽车前灯中,不过现在,从大功率建筑照明到高性能 DLP (Digital Light Projection) 投影仪,这类 LED 可以在各种应用中见到。在可预见的未来,这些应用性能的提高将继续促进大电流 LED的高速增长。随着人们加速努力降低因生产能源而导致的炭排放总量,LED 可使全球照明的使用能源减少 10%,而这潜力为向 LED 照明的转变增加了动力。


正在兴起的大功率 LED 应用

大电流 LED 的推出使利用这些 LED 的大功率照明应用得以实现,从而取代了效率相对低的白炽灯。在建筑照明和 DLP 投影仪等应用中,传统上需要 500W 至 1,000W 的卤素灯,而 20A LED 可以提供同样的光输出 (以流明为单位),但是仅需要相当于卤素灯 20% 的电力。在建筑应用中,LED 驱动器的效率必须非常高,而且能提供宽的调光比,以在多种环境条件下保持恒定的光输出。在高端 DLP 投影应用中,红、绿和蓝 (RGB) 光 LED 阵列取代了传统的卤素灯、色轮和镜阵 (MEM)。不过,为了准确地混合颜色,LED 驱动器必须能够在两个不同的稳定峰值电流状态之间快速切换,而且能够覆盖 PWM 调光范围而不会有中断。设计能够满足这些苛刻的速度和准确度要求的大电流 LED 驱动器 IC,同时优化总体效率,给 IC 设计师带来了很多新的挑战。


用于 DLP 投影仪的 LED 照明

高端 DLP 投影仪历史上一直使用大功率白炽灯以及色轮和镜阵,以投射相对高分辨率的图像。随着很多这类投影仪需要 500W 甚至 5kW 的灯,整个系统的热量管理成为主要的设计障碍。甚至在有大量热量管理系统 (这些系统需要恒定气流冷却) 的情况下,灯的寿命也相对较短,而且更换非常昂贵。新的设计用一个大电流 RGB LED 阵列取代大功率灯、色轮和镜阵,这极大地减少了浪费的热量,同时改善了颜色混合的准确度、极大地提高了对比度和总体分辨率。不过,为了达到想要的性能水平,这些 LED 需要独特的 LED 驱动器设计。首先,驱动器必须能够提供高达 20A 的连续 LED 电流和高达 40A 的脉冲电流。其次,驱动器必须提供超过 90% 的效率,以最大限度地减少对热量问题的考虑。最后,为了实现颜色混合所需的宽动态范围,驱动器必须能够在 3 个良好稳定的电流状态之间快速和准确地切换,而且没有任何中断。


LT3743

LT3743 是一种同步降压型 DC/DC 转换器,为提供恒定电流以驱动大电流 LED 而设计。该器件的 5.5V 至 36V输入电压范围使其非常适用于多种应用,包括工业、DLP 投影和建筑照明。LT3743 从一个标称 12V 的输入提供高达 20A 的连续 LED 电流,从而提供超过 80W 的功率。在脉冲 LED 应用中,该器件可以提供高达 40A 的 LED 电流或从一个 12V 输入提供 160W 功率。高达 95% 的效率使得无需外部散热措施,并极大地简化了热量设计。一个频率调节引脚使用户能够在 100kHz 至 1MHz 之间设定频率,因此设计师们可以优化效率,同时最大限度地减小外部组件尺寸。加之 4mm x 5mm QFN 或耐热增强型 TSSOP-28 封装,LT3743 能提供一个非常紧凑的大功率 LED 驱动器解决方案。

LT3743 有 PWM 和 CTRL_SELECT 调光 (参见图 1),在 3 种 LED 电流值上提供 3000:1 的调光能力,从而使该器件非常适合诸如 DLP 投影仪中所需的那类颜色混合应用。类似地,LT3743 独特的拓扑使它能够用不到 2us 的时间在两个稳定的 LED 电流值之间转换,从而在 RGB 应用中实现了更准确的颜色混合。可保持 +6% 的 LED 电流准确度,以确保 LED 发出最准确的光度。其它特点包括输出电压调节、LED 开路保护、过流保护和热降额电路。

图 1:具 3 态电流控制的 LT3743 LED 驱动器

92% Efficient 20A LED Driver:效率为 92% 的 20A LED 驱动器
20A MAXIMUM:最大值为 20A


高效率工作

在驱动要求驱动电流高达 20A 的 LED 时,转换效率至关重要。首先,为了保持 LED 在提供光时的高效率,IC 驱动器还必须提供高效率,以最大限度地减少以热量形式浪费的能源。其次,很多应用 (诸如 DLP 投影仪和建筑照明) 都需要占板面积非常紧凑的解决方案。结果,LED 驱动器 IC 不应该需要任何附加的散热措施来消散浪费的功率。在 DLP 应用中,这使设计师们能够无需冷却风扇,并消除与风扇有关的可听噪声。因为 DLP 投影仪用 RGB LED 来准确地混合颜色,以相对低的占空比 (平均约 30%) 运行每个 LED,所以当务之急是保持高效率,甚至在这种相对低的占空比时也一样。LT3743 运用一种独特的设计,这种设计面向 CTRL_L 和 CTRL_H 电流电路采用同步整流和外部切换的负载电容器,从而为最常需要的占空比提供高于 90% 的效率。图 2 显示 LT3743 的效率怎样随着占空比变化,同时用 2A 至 20A 的电流驱动一个绿光 LED。其它工业应用,诸如激光二极管驱动器,在脉冲应用中也需要这样的高效率。

 

图 2:LT3743 的效率与占空比

Efficiency (Stepping from 2A to 20A): 效率 (从 2A 步进到 20A)
GREEN LED:绿光 LED
EFFICIENCY:效率
DIMMING DUTY CYCLE:调光占空比


三态电流控制

LT3743 运用一种独特的设计,该设计可实现三态电流控制,面向每一个电流值都具有 3000:1 的调光比。图 3 显示了这些不同的电流值是怎样控制的。首先,当 PWM 信号变高时,它将 LED 电流设置为从零到由 CTRL_L 设定的电流值,在这个例子中,ILED = 2A。然后,当 CTRL_SEL 引脚变高时,ILED = 20A。所有这些电流值都保持 ±6% 的准确度,从而确保一致的亮度。相反,当 CRTL_SEL 变低时,ILED 返回到 2A,而当 PWM 信号变低时,ILED 进入关断状态。LT3743 单独的 CTRL_L 和 CTRL_H 控制环路使这些电流值能够以约 2us 的时间非常快地转换,同时保持非常高的效率。

这种三态电流控制实现了高端 DLP 投影仪应用,这类应用利用 RGB LED 提供前所未有的颜色准确度和动态范围。图 4 显示,与两态控制相比,三态电流控制是如何提供更高性能。传统上,两态控制视相对占空比的不同而有所变化,或者完全接通、或者彻底断开每一个 RGB LED,以确定颜色。这使投影颜色准确度完全取决于单个 LED 的颜色准确度,而 LED 的颜色准确度可能有相当大的变化。不过,因为高端 DLP 投影仪需要最高质量的图像和彩色再现,所以需要一种新的方法来实现这样的高质量。也就是说,要实现最高的颜色准确度,单个 LED 中的变化必须通过与其它两个彩光 LED 混合来校正,以提供最准确的颜色。例如,当红光 LED 以满电流接通时,蓝光和绿光 LED 以较低的电流值接通,这样它们就可以混合,以产生最准确的红色。PWM 和 CRTL_S 引脚上 3000:1 的调光能力进一步扩大了混合颜色的动态范围。这种颜色混合的相互作用方式可以在图 4 中看到。

 
图 3:三态 LED 电流控制

LED Current Waveforms:LED 电流波形
(3000:1) 0A to 2A to 20A:(3000:1) 0A 至 2A 至 20A
10A/DIV:每格 10A
10us/DIV:每格 10us

 

         
典型的交错 RGB 系统                 高性能交错 RGB 系统

 

图 4:两电流颜色混合与三态颜色混合

High Current Level:大电流值
LED“Off”:LED “断开”
Only 2 LED Current Levels; “ON” or “OFF”:仅两个 LED 电流值:“接通”或“断开”
Low Level Current for Optimizing Color:小电流用于优化颜色
Sometimes LED is “OFF”:有时 LED 是“断开”的

For Optimal Color Control, Fast Rise and Fall Times Are Required:
就最佳颜色控制而言,需要快速上升和下降时间

 

电流值之间的快速转换

为了保持最准确的颜色混合能力,LED 驱动器不仅必须在 3 种不同的电流值上提供三态电流控制和准确的 PWM 调光,而且还必须从相对低电流的稳定状态 (约为 2A) 转换到高得多的稳定电流值 (约为 20A),以维持 PWM 调光边缘的原状。LT3743 的独特设计使该器件能够非常快地进行这类转换。即正如在图 5 中可以看到的那样,LT3743 可以在不到 2us 的时间内从 2A 恒定电流状态转换到 20A 状态,从而使该器件非常适用于颜色混合 RGB 应用。

除了 RGB LED 颜色混合应用,驱动大功率激光二极管的工业应用也需要这种在两个很好稳定的电流值之间转换的能力,如在约 2us 至约 5us 的时间范围内,从 2A 转换到 20A,以实现脉冲激光应用。

图 5:用 LT3743 实现 2us 的上升和下降时间,该器件用 PWM 和 CTRL_SEL 引脚进行3 态调光

Rise Time:上升时间
Fall Time:下降时间
10A/DIV:每格 10A
10us/DIV:每格 10us


结论

在工业、消费产品和商用照明领域,LED 照明应用在前所未有地加速发展,因此对于在大电流LED 应用中使用的 LED 驱动器 IC,已经产生了很多具体的性能要求。首先,要求这些 IC 最大限度地提高 LED 解决方案的总体效率,以降低对能源需求。其次,它们必须提供占板面积紧凑和扁平的解决方案,以满足小尺寸和外形扁平的应用的需求。最后,基于 LED 的解决方案必须提供比其前辈白炽灯更高的性能优势。例如,在工业应用中,这类应用包括从大功率内部/外部照明到驱动激光二极管以切割和原材料成形的各种应用。所有这些应用都需要大幅降低所需的电力,但是又需要非常具体的性能改进。照明一般需要准确的调光比以优化照明,而激光二极管需要非常快的脉冲能力,以准确地切割和材料成形。DLP 投影仪应用需要兼有这些属性。尽管 LED 本身的固有属性可大量节省功率,但是在大多数应用中,它们还需要高性能 LED 驱动器 IC 以优化效率,同时提高每种应用的性能。综合性高亮度 LED 应用将继续激增,从而将进一步加速 LED 应用已经很快的增长速度。