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通过电感式转换器充分利用基于LED的照明系统

关键词:电感式转换器 LED照明系统

时间:2023-07-22 16:43:00      来源:网络

要在中型 LCD 面板应用中实现所需的亮度,需要驱动器在所有工作条件下向 LED 提供稳定的电流。通常,可以使用两种类型的 LED 驱动器拓扑:电容式电荷泵和基于电感器的开关稳压器。本文重点介绍为 LED 提供 1W 至 6W 功率的电感式转换器 LED 驱动电路。

两种类型

要在中型 LCD 面板应用中实现所需的亮度,需要驱动器在所有工作条件下向 LED 提供稳定的电流。通常,可以使用两种类型的 LED 驱动器拓扑:电容式电荷泵和基于电感器的开关稳压器。本文重点介绍为 LED 提供 1W 至 6W 功率的电感式转换器 LED 驱动电路。

电荷泵型 LED 驱动器因其高效率、低成本且易于实施而广泛应用于手机和其他小尺寸 LCD 背光应用。电荷泵所需的外部元件仅由三个或四个电容器组成,没有电感器。然而,在输出功率方面存在限制。

尽管一些高功率闪光灯 LED 电荷泵可提供高达 2W 的功率,但电荷泵的输出电压仅限于约 6V,因此无法驱动两个以上串联的 LED。LED 的数量由电荷泵中的通道数量决定(通常多 6 个)。因此,中型面板应用可能会受到电荷泵封装的限制,因为更多的通道意味着更多的引脚和更大的封装尺寸。

LED 正向电压 (VF)、LED 电流和电源电压范围的组合决定了所需的电感转换器 LED 驱动电路的类型。LED VF 随电流、温度和 LED 型号而变化。

选择 LED 驱动器架构(线性、降压或升压)时,温度下出现的 VF 是一个关键参数,过压保护 (OVP) 水平也是如此。在本文中,假设 VF 为 3.8V。

选择LED驱动IC时,关键参数是开关电流限制;输出电压;以及防止 LED 开路情况所需的过压检测阈值。电感器和电容器等外部元件也应仔细选择。


图 1:所示为 8 英寸 LCD 模块背光示例,共有 9 串,每串 3 个白色 LED。LED 正向电压 (VF) 典型值为 3.3V 时,总灯串电压约为 10V。

示例应用

作为一个例子,考虑一个 8 英寸 LCD 模块,它包括背光灯,总共有九串,每串三个白色 LED,如上图 1 所示。 LED 正向电压 (VF) 典型值为 3.3V 时,总灯串电压约为 10V (3 x3.3V)。对于每个 LED 20mA,总电流为 180mA (9 x 20),总功耗为 1.8W。5V 电源由交流电源适配器提供。基于电感器的 LED 驱动器非常适合此应用。

首先,让我们了解一下处理 2W 负载需要什么设备开关电流。假设效率 (?) 为 80%,输入电流等于 Vout x Iout / Vin x ? = 10 x 0.18 / 5 x 0.8 = 450mA。CAT4139 电感式升压 LED 驱动器的开关电流限制为 750mA(值),非常适合此应用。

电感器的额定电流应能够处理峰值 LED 驱动器开关电流而不进入饱和状态。一旦发生饱和,就会出现一些电流尖峰,因为电感器的行为类似于电阻器,并且电路不再按预期工作。额定电流为 800mA 或更高的电感器就可以了。

LED工作时的输出电压应保持在输出电压以下。对于串联的三个 LED,在低温下,总正向电压可高达 11.4V (3 x3.8V)。

24V 开路 LED 检测阈值远高于该限制。如果 LED 断开,输出电压将增加并保持在 30V 左右,此时器件处于低功耗模式,仅从电源汲取几毫安的电流。30V 额定输出电容就足够了。

现在,我们考虑使用 12V 电源供电的 6W LED 灯。这可以通过使用六个串联的高亮度白光 LED 并以 300mA 的固定电流驱动、典型正向电压为 3.3V 来实现。

LED 灯串电压通常为 20V,在低温下可增至 23V (6 x 3.8V)。对于 CAT4139 这样的设备来说,这个电压太高了。需要更高电压的升压 LED 驱动器(例如 CAT4240)来驱动该负载。CAT4240 升压 LED 驱动器具有 40V 的更高过压检测阈值,并且与多 10 个串联 LED 灯串兼容。


图 2:使用 CAT4201 BuckLED 驱动器由 24V 电源驱动五个 1W LED,以提供准确的平均电流。

选择降压

当电源电压高于 LED 总正向电压时,可以使用线性电流源或开关降压调节器来为 LED 提供恒定电流。

线性电流源有一个缺点——稳压器 IC 中的功耗与电源至负载的电压差成正比。开关解决方案具有更高的效率,可防止 IC 中散发大量热量,使其保持接近或略高于环境温度。

上面图 2中的示例显示了如何使用 CAT4201 降压驱动器从 24V 电源驱动五个 1W LED。LED 电流由外部电阻器 R1 设置。CAT4201 降压 LED 驱动器提供在两相开关操作中实现的平均电流。在阶段,内部 CAT4201 FET 开关将 SW 引脚接地,以便电流上升并对电感器充电。

施加在电感器上的电压基本上是 24V 减去 LED 压降。一旦电流达到确定的峰值,内部开关就会关闭,电流继续流过肖特基二极管,直到电感器放电。

当电感电流降至零时,重复上述过程,使电感电流波形呈三角形。在这种情况下,开关频率约为 260kHz。LED 两端的电容器 C2 可限度地减少 LED 电流纹波。

电容器尺寸越大,纹波越小。本例中的整体转换器效率(LED 功率除以 VBAT 功率)高达约 94%。

只要 VBAT 高于总 VF 加 3V,LED 电流就能保持良好的调节。低于该水平,LED 电流线性下降。开关稳压器及其外部组件必须针对每个特定应用进行正确配置。

开关稳压器的高效率使得电源管理电路中的散热不再是问题,用户可以从节能中受益。

线性电流调节器 IC 具有固有的低噪声操作(无开关)的优点,但由于封装温度限制,主要适用于较低电流应用。

当谈到驱动中型面板和一般照明应用时,电感式转换器 LED 驱动器是解决方案,可实现良好调节的 LED 和的整体照明效率。选择正确的电感转换器(升压或降压)取决于应用电源和 LED 配置。

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