升壓式高亮度LED背光驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)設(shè)計(jì)

摘要：由于LCD面板本身無法產(chǎn)生光源，所以，必須利用背光的方式將光投射到面板上，讓面板產(chǎn)生亮度，并且亮度必須分布均勻，而獲得畫面的顯示。以目前來看，大多數(shù)的LCD背光是利用CCFL及LED來作為背光源，尤其在中、大尺寸的部分，大多是使用CCFL背光源。
　　
　　隨著消費(fèi)者對(duì)于色彩的要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，LED可以達(dá)到超過100％的NTSC色譜，由于LED可以提高面板色彩的表現(xiàn)能力，并且加上沒有太大的環(huán)保問題。目前許多業(yè)者都已逐漸將部分的產(chǎn)品導(dǎo)入利用LED作為背光源。
　　
　　本文將以Supertex的以HV9911為例，來提供讀者升壓式高亮度LED背光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的相關(guān)訊息。
　　
　　■升壓電路設(shè)計(jì)特色
　　
　　升壓電路是用來驅(qū)動(dòng)LED的串聯(lián)電壓高于輸入電壓（圖1），并且有以下的特色：
　　
　　1.此電路可被設(shè)計(jì)在效率高于90％下操作。
　　
　　2.M=SFET的（Source）與LED串共地，這簡(jiǎn)化了LED電流的偵測(cè)（不像降壓電路必須選擇上側(cè)FET驅(qū)動(dòng)電路或上測(cè)電流偵測(cè)。但是升壓電路也有些缺點(diǎn)，特別是用于LED驅(qū)動(dòng)，由于LED串的低動(dòng)態(tài)阻抗）。
　　
　　3.輸入電流是連續(xù)的，使得輸入電流的濾波變得簡(jiǎn)單許多（并更容易符合傳導(dǎo)式EMI標(biāo)準(zhǔn)的要求）。
　　
　　4.關(guān)閉用的FET毀損不會(huì)導(dǎo)致LED也被燒毀。
　　
　　5.升壓電路的輸出電流為脈沖式波形，因此，必須加大輸出電容以降低LED串的漣波電流。
　　
　　6.但是過大的輸出電容，使得PWM調(diào)光控制變得更具挑戰(zhàn)，當(dāng)控制升壓電路開與關(guān)，以達(dá)到PWM調(diào)光控制，就表示輸出電流會(huì)被每一個(gè)PWM調(diào)光控制周期充放電，這使得LED串電流的上升與下降時(shí)間會(huì)拉大。
　　
　　7.峰電流控制方式的升壓電路，用以控制LED電流是無法達(dá)成的，需要閉回路方式使電路穩(wěn)定，這又使得PWM調(diào)光控制更為復(fù)雜，控制電路必須增加頻寬來達(dá)到所需要的反應(yīng)時(shí)間。
　　
　　8.當(dāng)輸出端短路，控制電路無法避免輸出電流的增加，即使關(guān)掉Q1FET仍對(duì)輸出短路毫無影響，并且輸入端電壓的瞬變?cè)斐奢斎攵穗妷旱脑黾恿看笥贚ED串聯(lián)電壓時(shí)過大的涌浪電流可能會(huì)造成LED的毀損。

圖1 Boost Converter LED Driver??

　　■升壓電路操作模式
　　
　　升壓電路可操作于二種模式，連續(xù)導(dǎo)通模式（Continuous Conduction Mode；CCM）或不連續(xù)導(dǎo)通模式（Discontinuous Conduction Mode；DCM），這二種模式是由電感電流的波形決定的。圖2a為CCM升壓電路的電感電流波形，圖2bDCM升壓電路的電感電流波形。
　　
　　CCM升壓電路是用在最大升壓比例（輸出電壓與輸入電壓比值）小于或等于6，并在輸入電流大于1安培的情形下，假如需要更大的升壓比例，則需采用DCM模式。但是DCM模式會(huì)產(chǎn)生較大的峰值電流，因此導(dǎo)致電感的毀損增加，同時(shí)也造成均方根電流的增加。所以，DCM升壓電路的效率要比CCM升壓電路來得低，這也使得DCM的輸出功率受限制。

圖2 升壓電路的連續(xù)導(dǎo)通模式與不連續(xù)導(dǎo)通模式

　　■以Supertex HV9911為例設(shè)計(jì)升壓LED驅(qū)動(dòng)電路

????? HV9911為Close Loop，Peak Current Control，Switching Mode LED驅(qū)動(dòng)電源控制IC，它內(nèi)建了許多功能來客服升壓電路的缺點(diǎn)。HV9911包含了9-250VDC輸入電壓穩(wěn)壓器，不需額外電源，僅由單一輸入電壓提供IC動(dòng)作的工作電源。它內(nèi)建了2％精密的參考電壓（全溫度范圍）能精確地控制LED串聯(lián)電流。并且包含了斷路用的FET驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)輸出短路或過電壓時(shí)，便會(huì)自動(dòng)斷開LED串之對(duì)地路徑。此功能縮短了控制電路的反應(yīng)時(shí)間（請(qǐng)參考PWM調(diào)光電路說明）。（圖3）

　　■HV9911控制電路的功能

圖4 Increasing the Input Voltage Rating

????? IC的VDD pin工作電壓可提高（如果有必要的話）藉由一個(gè)二極管連接至外部電壓，此二極管是避免將外部電壓若低于IC內(nèi)部穩(wěn)壓電路的輸出電壓時(shí)，會(huì)造成IC的燒毀，最大的外接靜態(tài)穩(wěn)定電壓為12V（瞬態(tài)電壓為13.5V），因此11V+/-5％的電壓源是理想的外部提升電壓值。

　　IC內(nèi)部提供1.25％、2％精密參考電壓，這參考電壓可用來設(shè)定電流參考位準(zhǔn)，以及輸入電流限制位準(zhǔn)，此參考電壓也同時(shí)提供IC內(nèi)部設(shè)定過電壓保護(hù)。
　　
　　振蕩電路時(shí)間模式
　　
　　振蕩電路可經(jīng)由外部電阻設(shè)定振蕩頻率。若此電阻跨接于RT及GND pins之間，則IC操作于定頻模式，另外，若電阻跨接于RT與GATE pins間，則IC操作于固定關(guān)閉時(shí)間模式（此模式不需要斜率補(bǔ)償控制使電路穩(wěn)定）。定頻時(shí)間或關(guān)閉時(shí)間可設(shè)定于2.8ms到40ms之間，可運(yùn)用IC規(guī)格書內(nèi)的計(jì)算式設(shè)定。
　　
　　于定頻操作模式下，將所有SYNC在一起，多個(gè)IC可操作在單一頻率。少數(shù)個(gè)案必須外加一個(gè)大電阻2300于SYNC到GND之間，用來抑制雜散電容所造成的振鈴，當(dāng)所有SYNC連接在一起時(shí)，建議使用相同電阻值跨接于每一個(gè)IC的RT與GND之間的電阻。
　　
　　閉回路控制的形成是連接輸出電流信號(hào)至FDBK pin，同時(shí)將電流參考位準(zhǔn)連接至IREF pin，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接至Comp pin（傳導(dǎo)運(yùn)算放大器的輸出端），如圖5所示。放大器的輸出受PWM調(diào)光信號(hào)所控制，當(dāng)PWM調(diào)光信號(hào)為High時(shí)放大器的輸端連接至補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)PWM調(diào)光信號(hào)為L(zhǎng)ow時(shí)，放大器的輸出端與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)被切斷，因此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電容電壓維持住，一直到PWM調(diào)光信號(hào)再度回復(fù)High準(zhǔn)位時(shí)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)才又連接圖放大器的輸出端，這樣可確保電路動(dòng)作正常以及獲得非常良好的PWM調(diào)光反應(yīng)，而不需要設(shè)計(jì)一個(gè)快速的控制電路。

圖5 Feedback Compensation

　　FAULT信號(hào)保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路
　　
　　FAULT信號(hào)pin可用于驅(qū)動(dòng)外部斷接FET（圖6）IC啟動(dòng)時(shí)，F(xiàn)AULT信號(hào)維持Low電位，IC啟動(dòng)過后，此pin被pulledhigh，這使得內(nèi)電路的LED與升壓電路連接，電路完成啟動(dòng)點(diǎn)亮LED，假如輸出端有過電壓或短路情形發(fā)生，內(nèi)部電路會(huì)將FAULT信號(hào)拉Low并使LED與升壓電路斷接。
　　
　　FAULT信號(hào)也控于PWM調(diào)光控制信號(hào)，PWM調(diào)光信號(hào)為L(zhǎng)ow時(shí)，F(xiàn)AULT信號(hào)亦為L(zhǎng)ow，但當(dāng)PWM調(diào)光信號(hào)為High時(shí)，F(xiàn)AULT信號(hào)卻不見得為High。
　　
　　斷接LED時(shí)，可確保輸出電容不會(huì)隨著PWM調(diào)光信號(hào)的周期而充放電。
　　
　　PWM調(diào)光信號(hào)到FAULT信號(hào)與保護(hù)電路的輸出以AND連接著，以確保保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)能夠覆蓋過PWM及調(diào)光控制的輸入。

圖6 Disconnect FET

　　輸出短路保護(hù)的動(dòng)作原理是當(dāng)輸出偵測(cè)電流（于FDBK pin），大于2倍參考電流設(shè)定位準(zhǔn)（于IREF pin），保護(hù)動(dòng)作會(huì)發(fā)生。過電壓保護(hù)的動(dòng)作原理，是當(dāng)OVP pin的電壓大于1.25V時(shí)，保護(hù)動(dòng)作也會(huì)發(fā)生。二個(gè)信號(hào)被送至一個(gè)OR閘再送到保護(hù)栓鎖電路。當(dāng)有任一保護(hù)動(dòng)作發(fā)生時(shí)，栓鎖電路會(huì)將GATE及FAULT pins同時(shí)關(guān)掉。一旦有保護(hù)動(dòng)作發(fā)生時(shí)，必須將電源關(guān)掉重開，才能使栓鎖電路恢復(fù)重置。
　　
　　而在IC的啟動(dòng)需要注意以下兩點(diǎn)：
　　
　　●當(dāng)VDD與PWMD pins連接在一起，透過電路上的輸入電壓的連接或斷接來啟動(dòng)時(shí)，IREF pin所連接的電容必須使用0.1uF，而V00 pin上所連接的電容值需小于1uF以確保適當(dāng)?shù)膯?dòng)。
　　
　　●假使電路使用外部信號(hào)啟動(dòng)或關(guān)閉，而輸入電壓一直保持常開啟時(shí)，則IREF及VDD所使用的電容值可增加。
　　
　　線性調(diào)光能力
　　
　　調(diào)整IREF pin的電壓位準(zhǔn)可達(dá)到達(dá)成輸出電流的線性調(diào)整，方法為以可變電阻或分壓電阻網(wǎng)絡(luò)或外部提供參考電壓連接至IREF pin。但是，要注意一旦IREF的電壓低到非常小時(shí)，IC的短路電流保護(hù)比較器的誤差電壓（OFFSET）可能會(huì)造成短路保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作，這時(shí)候必須將IC電源關(guān)掉重開，重新啟動(dòng)電路，為了避免此誤動(dòng)作，IREF的最低電壓為20～30mV。
　　
　　PWM調(diào)光（脈寬調(diào)變調(diào)光）能力
　　
　　HV9910內(nèi)部的PWM調(diào)光功能卻能夠達(dá)到非常快速的PWM調(diào)光反應(yīng)，克服了傳統(tǒng)升壓電路不能非常快速的PWM調(diào)光的缺點(diǎn)。
　　
　　PWMD控制IC內(nèi)部三個(gè)點(diǎn)：
　　
　　●GATE信號(hào)到開關(guān)FET
　　
　　●FAULT信號(hào)到斷接FET
　　
　　●運(yùn)算放大器到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出端
　　
　　當(dāng)PWMD信號(hào)為High時(shí)，GATE信號(hào)與FAULT可以動(dòng)作，同時(shí)運(yùn)算放大器的輸出端連接到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，這使得升壓電路可以正常動(dòng)作。
　　
　　當(dāng)PWMD信號(hào)為L(zhǎng)ow時(shí)，GATE信號(hào)與FAULT被停止動(dòng)作，能量無法從輸入端轉(zhuǎn)移到輸出端，但是，為避免輸出電容放電到LED而造成LED電流下降時(shí)間被拉長(zhǎng)。
　　
　　這個(gè)放電電容同時(shí)也會(huì)使得電路重新連接動(dòng)作時(shí)，LED電流的上升時(shí)間會(huì)被拉長(zhǎng)。因此，避免輸出電容的放電是相當(dāng)重要的。IC輸出FAULT信號(hào)斷接FET，使得LED的電流幾乎立刻的下降到零電流，因此輸出電容并沒有被放電，所以當(dāng)PWMD信號(hào)回復(fù)High位準(zhǔn)時(shí)輸出電容不需要額外的充電電流，這使得上升時(shí)間非常快速。
　　
　　當(dāng)PWMD信號(hào)為L(zhǎng)ow時(shí)，輸出電流降至零，這使得回授放大器看到了相當(dāng)大的誤差信號(hào)于放大器輸入端，會(huì)造成補(bǔ)償回路的電容器上的電壓會(huì)上升至最高電位。因此當(dāng)PWMD信號(hào)回到High時(shí)，過高的補(bǔ)償回路電壓會(huì)控制電感峰值電流，而造成相當(dāng)大的輸出涌浪電流發(fā)生在LED上。
　　
　　這樣大的LED電流又隨著控制回路速度而回授，這會(huì)使得穩(wěn)定時(shí)間被延長(zhǎng)，當(dāng)PWMD信號(hào)為L(zhǎng)ow時(shí)，斷開運(yùn)算放大器與補(bǔ)償回路是有助于維持補(bǔ)償回路的電壓不被改變。因此當(dāng)PWMD信號(hào)回復(fù)High時(shí)，電路立刻回復(fù)穩(wěn)態(tài)而不會(huì)產(chǎn)生過大的LED電流。
　　
　　■閉回路控制電路的設(shè)計(jì)
　　
　　補(bǔ)償回路可用來使得升壓電路穩(wěn)定的操作，可選用Type－Ⅰ補(bǔ)償（一個(gè)簡(jiǎn)單積分電路）或者TypeⅡ補(bǔ)償（一個(gè)積分電路及額外的極點(diǎn)－零點(diǎn)）。補(bǔ)償?shù)念愋托枰暪β始?jí)的交越頻率的相位而定。

閉回路系統(tǒng)（圖7）的回路增益如下：
　　
　　（公式1）

　　Gm為運(yùn)算放大器的增益（435mA/V）
　　
　　Zs（s）為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的阻抗
　　
　　Gp（s）為功率級(jí)的轉(zhuǎn)移函式
　　
　　請(qǐng)注意，雖然電阻分壓比值為1：14，但是整體效應(yīng)包含二極管的壓降會(huì)是1：15。

圖7 Loop Gain of　the Boost Controller

　　■芯片補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)控制
　　
　　假設(shè)Fc為回路增益的交越頻率，而功率級(jí)的轉(zhuǎn)移函式在此頻率的振幅與相位角度為Aps與Φps、相位邊限Φm所需增加的相位角度為Φboost。
　　
　　（公式2）Φboost=Φm-Φpx-90o

　　基于所需增加的相位角度，來決定需要何種類型的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　（公式3）
　　
　　Φboost≦0o→TypeⅠ控制
　　
　　0o≦Φboost≦90o→TypeⅡ控制
　　
　　90o≦Φboost≦180o→TypeⅢ控制
　　
　　HV9911為基礎(chǔ)的LDE升壓驅(qū)動(dòng)電路通常并不需要TypeⅢ控制，所以此篇不討論Ⅲ控制。HV9911 TypeⅠ及TypeⅡ控制的使用，請(qǐng)參考表1。

表1 Network Compensation

　　TypeⅠ控制的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單，只要調(diào)整Cc即可，因?yàn)榻辉筋l率的回路增益之振幅為1
　　
　　（公式4）Rs?Gm?（2πfcCc）?1/15?1/Rcs?Aps=1
　　
　　由上述等式，若其它參數(shù)值已知Cc的電容值可計(jì)算出。
　　
　　TypeⅡ控制的等式需被設(shè)計(jì)如下：
　　
　　（公式5）K=tan（45？+Φboost/2）
　　
　　（公式6）ωz=1/RzCz=2πfc/K
　　
　　（公式7）ωp=Cz+cZ=（2πfc）?K

　　可得到交越率的回路增益之振幅為1的等式如下：
　　
　　（公式8）

　　同時(shí)解等式（1-6）（1-8）可計(jì)算出Rz，Cz及Cc的值。
　　
　　■利用芯片實(shí)際設(shè)計(jì)出驅(qū)動(dòng)電路
　　
　　表2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖8 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)參考

　　步驟一選擇開關(guān)頻率（fs）
　　
　　對(duì)于低壓應(yīng)用（輸出電壓＜100V），中等功率輸出（＜30w），開關(guān)頻率設(shè)為200kHz（時(shí)間周期為5ms），對(duì)于開關(guān)損失以及外部零件的大小來說是個(gè)不錯(cuò)的折衷方案。若是更高的電壓應(yīng)用或更高的輸出功率，則考慮外部的開關(guān)FET的功率損失，就必須降低開關(guān)頻率。
　　
　　步驟二計(jì)算最大開關(guān)周期（Dmax）
　　
　　最大的開關(guān)周期可以使用以下方程式計(jì)算：
　　
　　（公式9）

?????

　　注意：如果Dmax＞0.85，升壓比例太大，則升壓電路無法操作在連續(xù)導(dǎo)通模式而會(huì)操作在不連續(xù)導(dǎo)通模式，以達(dá)到所需的升壓比例。
　　
　　步驟三計(jì)算最大電感電流（Iinmax）
　　
　　最大電感電流為（公式10）

?????

　　步驟四計(jì)算輸入電感量（L1）
　　
　　輸入電感可以最低的輸入電壓操作下的電感電流25％計(jì)算，如下式
　　
　　（公式11）

?????

　選擇標(biāo)準(zhǔn)電感量220uH，為達(dá)到于最低輸入電壓的操作時(shí)之的效率為90％，則電感的損失約為總輸出功率的2～3％，使用3％計(jì)算電感損失。
　　
　　（公式12）Pind=0.03?Voman?Iove=0.84w
　　
　　假設(shè)80％－20％各別為電感的銅損及鐵損，則電感的等效直流電阻，必須小于
　　
　　（公式13）

?????

　　電感的飽和電流至少需大于最大電感電流20％。
　　
　　（公式14）

?????

　　因此電感為220uH，DCR值約0.3Ω，電感飽和電流需大于2A。但是必須注意，選擇電感的有效電流等于Iinmax（雖然可能無法符合效率的要求）但仍可獲得可接受的結(jié)果。
　　
　　步驟五選擇開關(guān)FET（Q1）
　　
　　跨接于FET的最大電壓等于輸出電壓，使用20％余量來計(jì)算最大突波電壓，F(xiàn)ET的耐壓選擇為：
　　
　　（公式15）VFET=1.2Vomax=96V
　　
　　流經(jīng)過FET的有效電流為：
　　
　　（公式16）IFET～I(xiàn)imax?√Dmax=1.3A
　　
　　為求得最佳化設(shè)計(jì)，F(xiàn)ET的電流規(guī)格必須至少大于3倍的FET有效電流值，以使用最低閘充電電荷（Qg）操作。使用HV9911時(shí)建議FET的Qg需小于25nC目前使用于此案例的FET規(guī)格為100V，4.5A，11nC。
　　
　　步驟六選擇開關(guān)二極管（D1）
　　
　　二極管的耐壓規(guī)格與開關(guān)FET（Q1）相同，二極管流過的平均電流等于最大輸出電流（350mA）。雖然二極管的平均電流僅350mA，但在短暫的時(shí)間內(nèi)二極管載送著最大輸入電流IINmax。二極管兩端所跨之電壓需相對(duì)應(yīng)于瞬間流過的電流而非平均電流，假設(shè)有1％功率損失于二極管上，則二極管兩端的壓降則必須小于：
　　
　　（公式17）

?????

　　最好選擇蕭特基二極管，當(dāng)輸出電壓小于100V時(shí)，它不需要考量逆向回復(fù)的損失，因此在此案例中選擇100V，1A蕭特基二極管，它的順向通過電壓在IINmax時(shí)為0.8V。
　　
　　步驟七選擇輸出電容（Co）
　　
　　輸出電容的電容值需視LED的動(dòng)態(tài)電阻，LED串的漣波電流及LED電流而定，使用HV9911的設(shè)計(jì)中，較大的輸出電容（較低的漣波輸出電流）將可獲得較佳的PWM調(diào)光結(jié)果，升壓電路的輸出以模型簡(jiǎn)化如圖9a將LED以定電壓負(fù)載串聯(lián)一個(gè)動(dòng)態(tài)阻抗，輸出阻抗（RLED與Co的并聯(lián)組合）被以二極管電流Idiode驅(qū)動(dòng)著，穩(wěn)態(tài)的電容電流波形如圖9b所示。
　　
　　圖9升壓電路的輸出

????? 使用在設(shè)計(jì)參數(shù)表中給的10％峰對(duì)峰漣波電流，計(jì)算輸出的漣波電壓為：