1 引言

作為LCD 的背光源，LED 現在已顯露出取代CCFL 的趨勢。與傳統的CCFL 相比，LED 背光源具有色域寬、色彩還原性好、可控性強、壽命長、不含汞蒸氣和其他有害氣體等優點。LED 背光源還能實現CCFL 無法相比的分區域色彩和亮度調節功能，從而更加精確地實現色彩還原和畫面的動態調整，在顯示不同畫面時，可以使亮度與對比度進行動態修正，以實現更好的畫質。

由于LED是一個低壓非線性半導體器件，LED 的正向電壓會隨著電流和溫度的變化而變化，需要有驅動電路才能保證其穩定可靠地工作，因此，研究大功率背光源用LED 驅動電路的解決方案，是一項具有前沿性和現實性的工作。

目前，大功率背光源用LED 驅動電路有峰值電流控制型、平均電流控制型、單級單開關型3 種類型，這3 種LED 驅動電路各有特點。本文結合具體的LED 驅動電路控制芯片，從原理、優缺點、性能改進措施等方面對這3 種類型的LED 驅動電路進行了分析，并對正處于研發階段的高性能脈沖恒流源型LED 驅動電路的原理做了簡要的介紹，最后分析了大功率背光源用LED 驅動電路的發展趨勢。

2 峰值電流控制型LED 驅動電路

峰值電流控制型LED 驅動電路目前應用最為廣泛，這種電路的效率可達90% 以上，而且具有電路簡單、成本低的特點。HV9982 是這種電路的典型控制芯片。HV9982 有三路輸出，R、G、B 各一路，最高輸入電壓為40 V， 最多可以同時驅動54 顆LED， 具有輸出短路保護、輸出過壓保護、Hiccup 模式保護功能。圖1 是HV9982 的應用電路。圖中只畫出了一路輸出，其余兩路輸出與這一路相同。

圖1 HV9982 應用電路

HV9982 的工作原理為： L1 、D2、Q1、C14 組成Boo st 升壓變換器電路，CS 引腳檢測流過Q1 的電流，當流過Q1 的電流超過一定值時，Q1 關斷，從而實現恒流輸出。Q2 起輸出過壓保護和調光的作用，OVP 引腳用來檢測過電壓，當此引腳的電壓超過5 V 時，Q2 關斷，同時HV 9982 內部的計時器開始計時，當計時完成后，再次檢測OVP引腳上的電壓是否超過5 V， 不超過則Q2 導通，超過則Q2 繼續關斷，如此重復。調光時，當PWMD 引腳為高電平時，Q2 導通； 當PWMD 引腳為低電平時，Q2 關斷，將LED 從電路中斷開，防止輸出電容通過LED 放電。改變PWMD引腳調光信號的占空比，就可調節LED 的亮度。

峰值電流控制型LED 驅動電路雖然具有電路簡單、成本低等優點，但也存在一定的缺點，具體表現在：

（1）電路可能會因次諧波振蕩存在運行不穩定的風險，采用斜坡補償可以解決這個問題，但是如果某些LED?驅動芯片不支持振蕩器電容連接，斜坡補償會很難實施。另外，斜坡補償也會引起被檢測電流與實際LED 電流之間的誤差。有的學者試圖采用固定關斷時間（ 而不是固定頻率） 的工作方式來解決這一問題，這樣雖然可以解決次諧波振蕩問題，且占空比也大于50%， 但是為了增加占空比就必須降低頻率，從而導致頻率在占空比范圍內的大幅波動。

（2） 對噪聲敏感，抗噪聲性能差。因為電感處于連續儲能電流狀態，與控制電壓編程決定的電流、電平相比較，開關器件的電流信號的上升斜坡通常較小，電流信號上的較小噪聲就很容易使開關器件改變關斷時刻，使系統進入次諧波振蕩。

（3） 峰值電感電流的大小不能與平均電感電流的大小一一對應，在占空比不同的情況下，相同的峰值電感電流可以對應不同的平均電感電流，在輸入電壓變動的情況下，流過LED 的平均電流發生改變，恒流精度不高。

為了進一步提高峰值電流控制型LED 驅動電路的性能，目前，研究人員主要在以下幾個方面對其進行改進：

（1） 采用頻率抖動技術改善EMI?特性。未采用頻率抖動技術時，各次諧波較窄而且離散，幅值在諧波頻率處較高。圖2 是采用了頻率抖動技術的LED 驅動電路的傳導EMI 峰值和平均值測試結果。采用該技術可使諧波幅值降低并且變的平滑，高次諧波接近連續響應，減少EMI 的效果十分顯著。

圖2 傳導EMI 峰值和平均值測試結果

（2） 采用補償峰值電流控制技術提高LED?驅動電路的恒流性能，解決在輸入電壓變動的情況下流過LED 的平均電流發生改變的問題。國內華潤矽微科技有限公司推出的PT 4107LED 驅動電路控制芯片就采用了該技術。圖3 是補償峰值電流控制技術原理圖。

圖3 峰值補償電流控制技術原理。

3 平均電流控制型LED 驅動電路

平均電流控制型LED 驅動電路克服了峰值電流控制型LED 驅動電路可能會出現次諧波振蕩等不足，具有以下優點：

（1） 平均電感電流能夠高精度地跟蹤電流編程信號；（2） 不需要斜坡補償；（3） 抗噪聲性能優越。

美國國際整流器公司（IR）推出的IRS2540是一種平均電流控制型LED?驅動芯片，可驅動200 V 的MOSFET 。該LED 驅動芯片采用獨有的高側驅動器，可連續監控負載電流，并通過時間延遲滯后控制法，精確調節電流，從而提供優勢明顯的平均電流控制功能； 內置短路保護功能，可以通過簡單的外部電路實現開路保護功能，同時為同步整流設計提供一個低壓側驅動。IRS2540 的應用電路如圖4 所示。

圖4 IR2540 應用電路。

IR2540 的工作原理為： 當IR2540 的HO 引腳輸出高電平時，Q1 導通，負載從電源吸收電流，并在輸出電感L 2 和輸出電容COU T 上儲存能量，同時IR2540 第三引腳上的反饋電壓V IFB 逐漸增加，當V IFB 高于0. 5 V 時，控制環在延遲一段時間后關斷HO 端的輸出。HO 關斷后，LO 將在經過死區時間后開通，電感L 2 和輸出電容COUT 向負載釋放儲存的能量。VIFB 開始下降，當VIFB 低于0. 5 V 時，控制環在延遲一段時間后，HO 引腳輸出高電平，LO 關斷。從而達到穩定平均電流的目的。ENN 引腳為禁用輸出，起開路保護和調光的作用，當輸入該引腳的電壓超過2. 5 V 時，IRS2540 處于禁用狀態。當需要調光時，將一個固定頻率、變占空比的信號加到ENN 引腳上，平均負載電流與占空比有直接線性關系。如果占空比是50%， 可以實現最大50% 的輸出； 如果占空比是30%， 可以實現最大70% 的輸出。

與峰值電流控制型LED 驅動芯片不同，IR2540 的頻率自由運行并可以通過快速響應輸入和輸出電壓的變化維持電流調節，該芯片不需要外部器件來設置頻率，頻率是由輸出電感L2 和輸出電容COU T 以及輸入輸出電壓和負載電流決定。圖5 和圖6 分別是負載6 只LED 和12 只LED 時IRS2540 的工作波形，圖中的4 個波形由上到下分別為LED 的電壓波形、輸入電壓波形、LED 的電流波形、LO 引腳的電壓波形。這種電路的缺點表現在其效率較低，并且輸出電流和效率隨負載的變化較大。表1 為IR2540 應用電路在不同負載情況下的測試結果。由表1 可見，當負載為10 只LED 時，電路的效率只有68. 2%，與峰值電流控制型LED 驅動電路90% 以上的效率還有一定的差距。

圖5 IR2540 驅動6 個LED 的波形。

圖6 IR2540 驅動12 個LED 的波形。

表1 IR2540 應用電路在不同負載下的效率。

4 單級單開關型LED?驅動電路

在大屏幕液晶電視和液晶顯示器中，背光源耗電量所占的比重是最大的，如果LED 驅動電路采用直流供電，就要求液晶電視和液晶顯示器內功率因數校正（ PFC） 電路和開關電源的輸出功率足夠大，導致成本增加。單級單開關型LED 驅動電路直接采用220 V 市電，不需要開關電源，而且電路簡單、成本也比較低， 應用單級單開關型LED 驅動電路可以顯著降低液晶電視和液晶顯示器的成本。

美國超科公司推出的HV9931 是一種具有有源功率因數校正功能的單級單開關非隔離型LED 驅動電路控制芯片，采用該芯片的LED 驅動電路無需變壓器。圖7 是基于HV9931 的單級單開關型LED 驅動電路，輸出功率為18 W， 效率可達78%.由圖7 可見，采用HV9931 的LED驅動電路具有電路簡單、成本低的優點。圖7 中，L1 、C3、D5、D6 組成輸入Buck？？boo st 級，它與L2、D7、D8 組成的輸出Buck 級相級連，兩個變換器共用一個功率管Q1 ， 輸入Buck？？boost 工作在不連續導電模式（DCM） ， 輸出級則工作在連續導電模式（ CCM） ， 電路降壓比為兩個變換器降壓比的乘積。這樣，不用變壓器就可獲得高降壓比。

HV9931 的工作原理為： 當Q1 導通時，Ll 中的電流線性增加，同時，電容C3 為輸出Buck 級供電，流過L 2 的電流也線性增加。iL1的電流通路為： D5 → L1 → Q1→R6 ; iL2的電流路徑為： C3 正端→ Ql →R7 → LED →L2 → D7 →C3 負端。當Q1 關斷時，D6 正向偏置，輸入電感電流i L1 轉入到C3 ，電流流向為： D5→Ll→C3 →D6 ; 同時，流過L2 的電流流過D8 ， iL2 流向為： L2→D8 →R7 → LED.L l中的電流線性下降，只要降為零，D6 則反向偏置，阻止i L1流動。在Q1 再次導通之前，i L1 = 0 的時間為L l 的死區時間，此時，i L2 繼續流動，直到新的開關周期開始，Q1 導通。在A C 線路周期之內，可以認為開關占空比D 和開關頻率f s 不變，于是，L1 的峰值電流iL1（ pk） 和平均輸入電流直接與輸入電壓成正比：

式中： Iin 為輸入電流，Vin 為輸入電壓，Reff 為有效輸入電阻。

L1 中的峰值電流iL1（ pk） 正比于輸入電壓，平均輸入電流呈正弦波形。因此可獲得單位功率因數和低輸入電流諧波失真。圖8 是輸入電壓和電流波形。

圖8 輸入電壓和電流波形

HV9931 的PWMD 引腳連接到VDD，HV9931 正常工作。若PWMD 引腳接地或開路，則HV9931 停止工作。若在PWMD 引腳施加一個T T L 兼容方波信號，則可以獲得PWM 調光。在額定輸出電流下，當PWM 占空比為5%時，LED 的亮度降低50% .PWM 頻率應高于100 Hz， 以使人眼看不到頻閃。通過施加5% 的LED 電流，采用模擬（ 線性） 調光，也可獲得50%的亮度。

單級單開關型LED 驅動電路是目前的研究熱點，但是還存在一些不足，主要體現在以下5 個方面：

（1） 輸出功率較小，目前只在中小功率場合獲得了一定的應用；（2） 為了實現自動輸入電流整形，輸入PFC電感需工作在恒占空比的DCM 模式，且PFC 級和DC/ DC 級共用一個開關管，因此開關管的電流應力大；（3） 輸入PFC 電感需工作在恒占空比的DCM 模式，整流輸入端的高頻電流紋波大，需要的EMI?濾波器體積大；（4） 為了提高功率轉換效率，DC/ DC 級一般都工作在CCM 狀態，高輸入電壓和輕載時，由于輸入能量和輸出能量瞬間不平衡而導致儲能電容電壓應力過高；（5） 功率轉換效率較低。

為了改善單級單開關型LED?驅動電路的上述不足，國內外的學者提出和嘗試了多種方法和電路拓撲：

（1） 采用輸入PFC 電感交錯并聯、輸入PFC電感工作在CCM 模式等方法減少輸入電流紋波；（2） 采用DC/ DC 級工作在DCM 模式、變頻控制、母線電壓反饋、串聯充電并聯放電拓撲等方法減少儲能電容電壓應力；（3） 采用軟開關、直接功率轉換等方法提高功率轉換效率。

雖然單級單開關型LED 驅動電路還存在一些不足，但是其電路簡單、體積小、成本低等優點亦非常引人關注，隨著研究的不斷深入，單級單開關型LED 驅動電路將會有廣闊的發展空間。

5 脈沖恒流源型LED 驅動電路

與上述3 種LED 驅動電路不同，脈沖恒流源型LED 驅動電路供給LED 的是脈沖電流，電流脈沖頻率和占空比可以調整，為LED 提供充分可控的恒定電流。由于采用脈沖供電，LED 處于間歇工作狀態，LED 的發熱量大幅減少，從而使LED 的光衰減少，延長了LED 的壽命。另外，脈沖恒流源充分利用了LED 內熒光粉的余輝效應，不但不會有光的閃爍現象，還會進一步提高LED的發光效率。與上述3 種LED 驅動電路相比，脈沖恒流源型LED 驅動電路具有顯著的性能優勢，但是，脈沖恒流源的電路比較復雜，成本較高，只在小功率的LED 驅動電路中獲得了一定的應用，大功率的脈沖恒流源型LED 驅動電路還處在研發階段，還沒有商品化。

6 大功率背光源用LED 驅動電路的發展趨勢

目前LED 的效率還比較低，而大功率LED背光源的功率可達100 W 以上，所以大功率LED背光源的散熱是一個非常重要和具有挑戰性的問題。如果LED 驅動電路的效率也比較低，那么不但會多消耗電能，而且會加重液晶電視和液晶顯示器的整機散熱負擔。恒流精度直接影響液晶電視和液晶顯示器畫面的亮度和均勻性，恒流精度當然越高越好。與CCFL 背光源相比，LED 背光源的成本還比較高，這是影響LED 背光源推廣應用的一個關鍵因素。低成本的LED 驅動電路，有助于降低LED 背光源的成本，因此，高效率、高恒流精度、低成本是大功率背光源用LED 驅動電路今后的發展趨勢。峰值電流控制型LED 驅動電路雖然效率高，但是存在電路有可能發生次諧波振蕩、恒流精度不高、抗噪聲性能差的缺點。平均電流控制型LED 驅動電路雖然恒流精度高，但是效率低。脈沖恒流源型LED 驅動電路雖然在效率和恒流精度兩個方面具有一定的優勢，特別是脈沖恒流源型LED 驅動電路能使LED 的發熱量大幅減少，這對簡化大功率LED 背光源的熱設計是非常有用的，但是由于其電路復雜、成本高，目前還沒有大功率的脈沖恒流源型LED?驅動芯片問世，其發展前景目前還很難判斷。單級單開關型LED 驅動電路具有成本低、電路簡單的優點，而且恒流性能也比較好。應當指出的是，雖然單級單開關型LED 驅動電路的效率還比較低，但它是直接使用220 V 市電，其他類型的LED 驅動電路還需要開關電源供電，如果把PFC 電路和開關電源的效率計算進去，電路的總效率幾乎與單級單開關型LED 驅動電路的效率相當，甚至還比單級單開關LED 驅動電路的效率還要低。雖然單級單開關LED 驅動電路還存在一些不足，隨著研究的深入，其性能會不斷提高。綜上所述，目前單級單開關型LED 驅動電路是最具有發展前景的，是當今大功率背光源用LED 驅動電路的發展趨勢。

7 結論

由于LED 背光源的諸多優點，LED 背光源正在進入高速發展時期。LED 驅動電路作為LED 背光源中不可缺少的一部分，其重要性是不言而喻的。本文對大功率背光源用LED 驅動電路進行了分析，探討了大功率背光源用LED 驅動電路的發展趨勢，對大功率背光源用LED 驅動電路的研究與設計具有一定參考應用價值。
來源；電子工程網