线性LED驱动器创新方案及应用
2011-05-31
作者：安森美半导体
在众多照明应用中，线性LED驱动器是首选的方案，因为它们相对简单，易于设计，且使LED能够以精确稳流电流来驱动，而无论LED正向压降或输入电压如何变化。由于驱动器是线性结构，它们必须匹配应用的功率耗散要求。安森美半导体提供电流范围在10 mA到1 A之间的宽广范围线性LED驱动器方案，包括新颖的线性恒流稳流器(CCR)方案及其它众多线性驱动器方案。
针对低电流LED驱动的线性CCR及应用示例
在电流低于350 mA的许多低电流LED应用中，如汽车组合尾灯、霓红灯替代、交通信号灯、大型显示屏背光、建筑物装饰光及指示器等，可以采用普通的线性稳压器或是电阻来提供LED驱动方案。电阻用于限制LED串的电流，是成本最低的方案，易于设计，且没有电磁兼容性问题。但是，使用电阻时，LED正向电流由电压确定，在低电压条件下，正向电流较低，会导致LED亮度不足，且在负载突降等瞬态条件下，LED可能受损。电阻方案的能效也最低，不利于节能，这在强调高低能耗的应用中尤为不利。此外，电阻方案也存在LED热失控及筛选问题。线性稳压器方案的提供较佳的稳流精度(±2%)，支持过功率自调节，也没有EMI问题。这种方案的能效较低，成本适中。
客户需要比普通线性稳压器经济、但在性能上又比电阻高出许多的驱动方案。安森美半导体运用待批专利的自偏置晶体管(SBT)技术，结合自身超强的工艺控制能力，推出了新颖的LED驱动方案——NSI45系列线性恒流稳流器(CCR)。与电阻相比，线性CCR在宽电压范围下亮度恒定，在高输入电压时保护LED，使其免于过驱动，在低输入电压时提供更高亮度。得益于其恒流特性，客户可以减少或消除不同供应商提供的不同LED的编码成本，降系统总成本。CCR也无EMI问题，采用高功率密度封装，并通过汽车行业AEC-Q101认证。
安森美半导体的CCR包含双端固定输出和三端可调节输出两种类型，电流等级分别涵盖10至350 mA及20至160 mA，阳极-阴极最大电压VAK分别为50 V和45 V。高VAK电压帮助抑制浪涌，保护LED。这系列CCR在电流流动前无电压偏移，其快速导通/关闭特性提供宽范围及精确的脉宽调制(PWM)调光能力。市场上没有跟CCR一样的“即插即用”器件，其它器件都需最低0.5 V的电压导通，而不会像CCR一样立即导通(见图1左)。CCR能以外部双极结晶体管(BJT)来提供精确的PWM调光(见图1右)，典型PWM调光频率是0.1到3 kHz，调光过程中并无色彩漂移，因为LED始终以优化的电流导通。
图1： 25 mA的CCR与竞争器件的Ireg-Vin曲线比较(左);CCR调光应用示例(右)。
CCR带有负温度系数(NTC)特性，在极端电压和工作温度下保护LED免受热失控影响。CCR易于设计，适合高端(High-side)及低端(Low-side)应用(见图2a)，不需外部元件，非常简单，适合更宽的应用范围;相比较而言，有些供应商提供跟安森美半导体CCR类似的功能或性能，但需要额外的外部元件、不能配置为高端或低端驱动器、封装不同或是热可靠性较逊。
图2：CCR可灵活用于高端或低端驱动，亦可驱动多串LED。
CCR还能用于驱动多串LED(见图2b和2c)，同样是既可用于高端，也可用于低端。图2b显示的是单个CCR驱动多串LED的应用示例，这种配置的成本最低，但不同LED的正向压降必须匹配，且某串LED故障则其它串LED的电流增加，加大故障风险。这种配置中较多功率耗散在单个CCR封装之中。图2c显示的是多个CCR驱动多串LED，这种配置的保护性能最佳，既不需要匹配LED，某串LED故障对其它串也没有影响，且功率在多个CCR封装中耗散。
除了以单个CCR驱动单串或多串LED，还能并联多个CCR来提供更大电流，驱动单串或多串LED。其中，使用三端可调节输出CCR有助于满足特定电流设置要求，可调节电阻能耗不到150 mW。
图3：并联多个CCR提供更大电流，驱动单串名多串LED。
CCR可以用于直接采用交流电源供电的应用。交流市电输入经过桥式整流后，只需要保证输入电压减去LED串总电压后所剩下的电压不超过CCR的VAK即可。CCR也可用于T8荧光灯管LED替代应用。采用CCR来驱动LED T8灯管(见图4)与采用电子镇流器的荧光灯相比，输入功率更低，功率因数更高，总谐波失真更低，光输出更高。
图4：NSI45090DDT4G CCR在驱动LED T8灯管应用中的电路图。
安森美半导体的NSI45系列CCR包含10、15、20、25或30 mA固定输出版本，60至160 mA的可调节输出版本，以及通过汽车标准认证的20至160 mA可调节输出版本。安森美半导体并提供CCR样品套件和评估板供客户申请试用。
应用于可寻址标志、建筑物装饰光等应用的线性LED驱动器
安森美半导体除了提供新的线性CCR这样的低电流LED驱动器，更提供其它多种线性驱动器，用于显示屏驱动、可寻址标志、建筑物装饰光等应用领域。
诸如广告牌标志、滚动横幅、智能车辆标志和体育计分板等LED应用需要采用多颗LED，通常包含多串LED，要求LED驱动方案提供恒定的光输出，不同通道间的电流匹配精度要高，要提供易用的接口来控制不同LED通道，并且要具备可靠的保护功能。安森美半导体针对这类应用的方案包括CAT4008和CAT4106等恒流LED汲入型驱动器，其中前者支持8通道，后者支持16通道，LED电流范围均为2至100 mA，此电流由外部电阻设定。
图5：CAT4016典型应用电路图。
某些旨在营造高视觉冲击力效果的建筑物装饰照明应用使用高亮度的LED，要求LED驱动器能够驱动高亮度LED，并且要具备高速接口，从而支持高数据率并确保维持高数据完整性，还需要具备超低的压降，从而提供更高的能效。安森美半导体适合这类应用的LED驱动器包括CAT4101、CAT4103和CAT4109等。
图6：CAT4103及CAT4109 RGB像素LED驱动器典型应用电路图。其中，CAT4101是1 A高亮度线性LED驱动器，不要求电感，消除开关噪声，将元件数量减至最少，并简化设计，针对要求大电流的建筑物LED装饰照明应用。CAT4103是3通道串行可编程恒流RGB LED像素驱动器，为高端、多色彩、“智能”LED建筑物照明应用而设计，具有高速串行接口，能支持达25 MHz的数据率，提供完全缓冲的数据输出，确保在分布式(长距离)、菊花链型照明系统中维持最高的数据完整性。CAT4109也是三通道RGB LED像素驱动器，使用并行接口，每条通道具有专门的脉宽调制(PWM)控制，非常适合更常规的LED视觉效果应用，如混色和建筑物重点照明。
此外，在中大尺寸液晶电视应用中，LED背光也在加速替代传统的CCFL背光。安森美半导体的CAT4026是一款6通道线性LED驱动器，用于大面板LED背光应用。设计人员可以在液晶电视的LED背光部分结合采用安森美半导体的NCP1397半谐双电感加单电容(LLC)谐振控制器及CAT4026侧光式LED线性驱动器，支持电路板高度低至8 mm的LED背光液晶电视设计。CAT4026以单颗IC支持6通道，且易于分级为多达12个或18 个通道(相应采用2个或3个控制器)，目标能效高于90%，典型能效达94%。此外，该驱动器还提供正向电压监测功能，可以限制总体功耗;还能为LED开路及过多LED短路等不同LED串故障提供保护。
图7：背光部分采用NCP1397和CAT4026的46英寸LED背光液晶电视电源示意图。
总结：
安森美半导体身为应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商，提供应用于各种LED照明/背光应用的高能效驱动器解决方案，包括AC-DC LED方案、DC-DC LED开关稳压器方案以及不同线性LED驱动器方案等。本文重点探讨了安森美半导体的不同线性LED驱动器方案，包括应用于低电流应用的新颖的线性CCR方案，以及应用于可寻址标志和建筑物装饰照明应用的线性LED驱动器方案。