利用高亮度LED和SEPIC电源模块构建显示器背光方案

技术分类: 电源技术  模拟设计  | 2008-03-31
Jim Christensen,Maxim战略应用工程师

  汽车工业面临一个发展趋势,即在汽车显示屏中越来越多地使用高亮度LED(HBLED)替代冷阴极荧光灯(CCFL)进行背光。与CCFL相比,HBLED工作在更低的直流电压(低EMI)、具有更长的使用寿命、在极端温度和振动环境下性能更佳,并且不含汞,除此之外,CCFL的调光范围是300:1(最高值),而HBLED的调光范围可以达到4000:1甚至更高。 

  考虑到光照环境,较宽的调光范围对于车体内部的显示器背光非常重要。当太阳光直接照射时,应具有足够高的背光强度,以解决强光反射的影响;夜晚则需调低背光强度,以免对驾驶员产生视觉影响。由于HBLED背光方案中通常采用多串LED排列成的矩阵架构,每串HBLED采用相同的驱动电流,因此具有一致的亮度和光谱。为了保证串与串之间一致性,需要精确的电流驱动设计方案。

图1MAX16807SEPICLED驱动器


  提高调光范围看似简单,但是,如果在满足系统效率要求的前提下解决这个问题,将会面临诸多设计挑战。PWM调光线性HBLED驱动器工作在250Hz或更高频率时可以解决上述问题。但线性驱动器会消耗大量功率,散热将成为又一难题。为解决低效问题,需要采用开关模式HBLED驱动器,而电磁能量转换及控制电路占用较长的响应时间,很难满足4000:1的PWM调光要求( 250Hz频率、0.025%占空比对应于1ms)。

  比较合理的解决方案是将自适应开关调节器与线性驱动器相结合,自适应开关调节器并不提供固定电压,而是将输出电压调节在非常靠近HBLED最高串联电压的位置,开关调节器通过对驱动器漏极电压进行“二极管或”,选择最低点连接到调节环路,满足设计要求。线性驱动器保证为每串HBLED提供快速PWM调节。

图2斜率补偿检测电流二者求和后的滤波波形


  这种混合架构可有效降低功耗、提供快速响应。但在HBLED关闭(PWM= 低电平)时存在一个潜在问题,电源自适应反馈环路的检测电压消失,控制环路会导致关闭模式下HBLED的供电电压失效。为解决这一问题,开关调节器必需设置一个“静止”模式,以保持足够高的电压,保证在短暂的占空比“导通”期间正常工作,为调节器留出较长的恢复时间。

  对于不同应用,每串HBLED的个数可能不同,HBLED正向导通电压的容限为±15%。另外,在汽车电子应用中,输入电压具有相当宽的变化范围,考虑到这一不确定性,最好选择SEPIC拓扑,SEPIC结构允许输入电压高于或低于输出电压,具有极高的设计灵活性。缺陷是SEPIC设计需要两个电感(或耦合线圈)和串联电容。但与反激方案相比,SEPIC设计中的串联电容可以吸收电感泄漏,降低对MOSFET开关的要求。

  在图1所示电路中,MAX16807是SEPIC方案中的核心控制器,能够为两串HBLED(每串5只LED)提供150mA的驱动电流。IC采用峰值电流控制模式,开关频率可变 。另外, MAX16807具有8路可编程吸电流控制电路,每路可提供50mA电流,36V驱动器可精确建立每串LED所要求的驱动电流。为了获得更高电流,还可以将输出连接在一起。通过OEB引脚能够以非常短暂的占空比控制HBLED驱动器的通/断,提供较宽的调光范围。MAX16807 SEPIC控制器件组合了多项功能,电路首先建立公共电源电压,然后由线性驱动器调节每串LED的电流。

  SEPIC设计

图350


  SEPIC(单端初级电感转振器)设计中具有原边电感(L1)、副边电感(L2)和位于两个电感之间的串联电容(C3),某种程度上,可以把SEPIC设计看作是具有隔直流电容(消除输入电压)的boost调节器,允许输出电压高于或低于输入电压。然而,为了复位隔直流电容,允许能量传递到输出端,在副边放置了另一个电感L2。 

  对电路进行分析,会发现C3上的直流电压等于输入电压,当MOSFET(Q1)导通时,VIN为L1充电和C3 为L2充电。由于C3上的电压等于输入电压,导通期间每个电感将作用相同电压。关闭期间,每个电感的放电电压相同——输出电压加上D1的导通电压。由于L1和L2具有相同的充、放电电压,它们可以具有相同的电感量和纹波电流,但二者的平均电流相差较大。

  Q1导通时,D1反偏,只有输出电容C12支持输出电流(ILED);Q1断开时,L1的电感电流流过C3,与L2电流合并,为输出电容充电并支持ILED。通过对方程式进行分析,会发现电路中L2的电流用于支持ILED,L1的电流重新为输出电容充电,补充能量。即L2的平均电流等于ILED,而L1的平均电流等于ILED * VOUT/VIN。

图43


  选择SEPIC元件时,可以使用SEPIC设计电子表格,该表格可从Maxim网站下载。 

  选择工作频率

  开关频率的选择需要权衡最小电感、电容尺寸,并在较高开关频率时不会对Q1造成不合理的热应力要求。MAX16807数据手册给出了一个公式,利用定时电阻(R6)和定时电容(C7)确定开关频率。选择3kΩ电阻和1000pF电容,电源转换器将工作在500kHz标称频率,能够在尺寸和效率之间达到较好的均衡。

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