LED之前世今生及其驅動概述

　　由于電視臺的節目安排都是老電影，因此必需要有一個人工操作員。因為好萊塢導演喜歡采用各種對比度的膠片以藝術方式為拍攝現場提供照明(這遠遠超出了舊的RS-170視頻的處理能力)，因此這樣就使得電視攝像操作變得比較復雜。我第一天的工作就是消除它們的藝術效果。

　　這是一種似曾相識的經歷，四十年后，我在NXP的會議室里觀看一些IC驅動日立高清電視機上的LED背光，以便在信號鏈的顯示端進行一些處理，這與我曾經在攝像機端做過的操作類似，不過這種操作并沒有怎么冒犯電影導演的初衷。

　　動態背光的一個重要考慮因素是粒度。每個背光LED都可以照亮相當多的像素，因此光強度的變化必須逐漸擴展到LED的各個行和列。即使是這樣，這也比我以前通過增益和設置控制達到的效果要好。

　　可控硅調光

　　脈寬調制(PWM)可以控制LED光輸出。為了實現動態背光，驅動器需要高帶寬控制通道。許多創新都源于為順應傳統可控硅和SCR調光器的調光輸入而采用LED替代白熾燈源和熒光燈源的需求。這也是傳統技術拖累新一代技術的其中一個案例。

　　調光部件很容易采用恒流直流電源供電。此時的挑戰在于根據LED方案沒有的控制器來實現調光。這樣，基本調光就只是一個改變脈寬調制恒流方波工作周期的過程，它會相當快地進行開關，從而避免產生可察覺的閃爍。

　　憑經驗來講，超過100Hz(歐洲主要頻率的兩倍)就足夠了。事實上，歐洲管制機構正在開始關注當LED驅動器AC-DC前端中的功率因數校正(PFC)給施加給LED的波形帶來諧波時的這種相對較低的速率和短工作周期。

　　在處理難題之前，需要先考慮可控硅調光器引起的一些基本問題，可控硅調光器是通過中斷交流波形的每個半周期部分來控制簡單的白熾燈的亮度的。如果負載是燈泡的燈絲，這個問題就是小事一樁，不過如果負載是恒流驅動器IC的話，這個問題就不簡單了(請參見ELectronicdesign.com 上的“High-Brightness White LEDs Light The Way To Greener Illumination”一文)。

　　例如，美國國家半導體公司(NSC)的LM3445降壓控制器是一款可控硅調光驅動器。事實上，NSC公司的工程師開發了一款專有的恒定關斷時間方案，用于維持整個LED串中的恒流(圖3)。這實際上是一種脈沖頻率調制，因為采用恒定關斷時間時，導通時間就成了唯一的變量。這樣，通過改變切換頻率來控制導通時間就可以輕松實現了。

　　圖3：美國國家半導體的LM3445是首款用于普通照明LED產品的驅動器，它允許采用傳統可控硅調光器進行調光。

　　LM3445的輸入端有一個齊納橋。此齊納橋后面的“填谷”電路可使斬波操作更加順利，并允許降壓穩壓器即使在可控硅處于關斷狀態時也可以汲取功率。

　　此IC的外接電路需要一個仿真白熾燈燈絲電阻的“泄漏”電阻，這種電阻是傳統照明電路中的可控硅中的一部分。“泄漏電阻”一般是指穿過交流電源的輸出電容的電阻。這里的“泄漏電阻”消耗掉流經關斷狀態下的可控硅的小電流。

　　在泄漏電阻的同一節點處，有一個帶一個15V齊納管和一個電源調整三極管的外部電路。電源調整三極管與大多數穩壓線路電壓“保持一定距離”，因此，此IC的感應引腳上的電壓在降至齊納橋的閾值以下時就會隨穩壓線路電壓的變化而變化。

　　相對于交流線路波形45°至135°的可控硅調光器發射角，LM3445具有10%至100%的調光范圍。該電路部分基于斜坡發生器和比較器。斜坡比較器的輸出通過施密特觸發器驅動共源極N溝道MOSFET，MOSFET的漏極電壓與可控硅調光器的工作周期成正比。還有另外一個用于設置PWM關斷時間的電路。通過一個電阻來設置驅動LED電流的實際電流。

　　凌力爾特公司(Linear Technology)的LT3799針對類似的可控硅控制的應用(圖4a)。該器件的設計人員對從AC-DC級開始的功率轉換級投入了大量工作，與NSC公司的升壓轉換器技術相比，其AC/DC級采用反激式拓撲結構實現。其目的在于使整流部分的功率因數在整個調光范圍內盡可能接近統一，而不會將有害的諧波傳到轉換鏈中。

　　圖4：凌力爾特發布的LT3799(a)利用了可控硅電壓(頂部)與驅動電流脈沖(底部)(b)之間的關系。

　　強調PFC的意義在于滿足歐洲IEC61000-3-2標準的要求，該標準是根據線路頻率的諧波來規定功率因數的，而不是將功率因數規定為電力線上的電壓與電流之間的相位角。功率因數的這兩個定義是等效的，兩個定義都與負載電抗有關，但相關的方式有所不同。

　　每一個整流電路都包含一個大輸出電容，這個電容可儲存和平滑來自整流二極管的脈動直流。平滑操作的結果是，負載從每個交流輸入周期某一部分的線路汲取能量。在每個周期的其余部分，負載從電容汲取能量。雖然交流線路電壓為正弦電壓，但交流線路電流卻是尖峰電流，頻率呈傅立葉級數，為交流線路頻率的倍數。

　　IEC61000-3-2標準規定了每個諧波(多達32次諧波)允許的最大值。凌力爾特的芯片旨在滿足該標準的要求，通過主動PFC將功率因數保持在0.97以上。

　　采用凌力爾特的PFC方法的其中一個優勢是它實際上可以簡化可控硅調光。LT3799采用隔離型反激式拓撲結構，變壓器次級輸出饋回至初級端進行控制，就像在任何反激式結構中一樣。不過，與大多數反激式級不同的是，該級采用第三變壓器繞組進行隔離，而不是采用光耦進行隔離。

　　該芯片在工作時通過從感應電阻獲得的外部MOSFET峰值電流信息來計算轉換器的輸出電流。(請參見LT3799數據手冊第9頁和第10頁，網址為http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3799f.pdf)。當主電源關斷時，LT3799還可以通過第三繞組上的電壓來檢測和報告打開的LED串。正常工作時，第三繞組不僅可以感應輸出電壓，還能向IC供電。

　　為實現0.97以上的功率因數，PFC電路在臨界導通模式下工作，也就是介于連續導通模式與斷續導通模式的邊沿。

　　雖然前端比較復雜，不過根據可控硅導通的AC波形的每個半周期的持續時間對LED串進行調光的實際過程非常簡單明了。根據數據手冊，可控硅調光器在關斷時并不是理想的開關，因為它們允許流經數毫安的電流。

　　事實上，這是可控硅的一個明顯特征。其他公司的調光控制器提供像白熾燈燈泡的燈絲一樣的電阻性負載，用來實現可控硅觸發。在凌力爾特的驅動器中，主電源MOSFET保持導通狀態，以便正確地加載可控硅，而不是在可控硅關斷時關斷主電源MOSFET。當可控硅導通時，驅動器檢測到這一狀態，從而實現控制回路。

　　當調光器的可控硅處于關斷狀態時，泄漏電流仍然流經LT3799的內置濾波器。除變壓器初級繞組充當分壓器之外，該電流對IC的輸入電容進行充電，會引起隨機開關和LED閃爍。MOSFET柵級信號電平升高，以便在可控硅處于關斷狀態時MOSFET導通，從而能夠排出泄漏電流。可控硅一旦導通，MOSFET就會無縫地變回正常供電器件(圖4b)。

　　頭痛和癲癇問題

　　調光的決定性挑戰來自iWatt公司，這是一家無晶圓廠半導體公司，他們公司的調光器主要用于LED替換燈泡。這一特定的利基市場目前已由iWatt公司主導，其挑戰在于實現驅動器能夠從數百個可控硅控制器中識別出哪個可控硅控制器正在使用，進而根據該信息定制燈的行為。

　　此外，該公司還表示，負責管理歐洲安全標準的人員正在進一步研究針對普通照明應用的LED驅動器的AC-DC級中抑制的