省電、高亮度LED需要高性能LED驅動器

　　背景

　　在很多家庭、機構、政府和工業(yè)應用中，高亮度 (HB) 白光 LED 正在快速取代白熾燈照明。在很多情況下，較高效率的 LED 可將功耗降低多達 88%，從而大幅降低給 LED 供電而發(fā)電所需的碳排放量。根據(jù)計算，如果將傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈轉變?yōu)?LED 照明，那么全世界總能源消耗量可能節(jié)省多達 10%。LCD 高清電視機 (HDTV) 應用是增長最快的 LED 市場之一，對于大型 LCD-TFT 平板背光照明來說，白光 LED 陣列正在取代 CCFL 照明。LED有更高的效率、更長壽命以及能夠提供局部調光功能，已經(jīng)使 LCD 高清電視機能夠獲得超過 7,000,000:1 的對比度，這相比基于 CCFL 的設計高了幾個數(shù)量級。此外，LED 外形扁平，使高清電視機能夠制造成厚度僅為 1.5 英寸，同時大幅降低高清電視機所需的電力。

　　隨著LED照明在這么多應用中激增，LED市場的增長率也在持續(xù)加速，即使在當下這種經(jīng)濟艱難時期也一樣。盡管預測數(shù)據(jù)各不相同，但是趨勢是明顯的：高亮度LED市場正在以高得驚人的速度增長。根據(jù)法國Yole Development公司的市場調查，到2012年，所有類型LED的市場規(guī)模將達到103億美元。其中，高亮度和超高亮度LED (ILED ≥ 100mA)合起來將占大約44.5億美元，這幾乎是 2007年7.83億美元市場規(guī)模 (基于封裝LED計算) 的 5.5 倍。迄今為止，這種增長大多數(shù)由較小電流的LED主導，主要在100~500mA范圍。不過，較大電流的LED應用正在變得更加普遍，這類應用需要2~20A電流驅動單個LED。首批大電流LED出現(xiàn)在汽車前燈中，現(xiàn)在從大功率建筑照明到高性能DLP (Digital Light Projection) 投影儀，LED可以在各種應用中見到。在可預見的未來，這些應用性能的提高將繼續(xù)促進大電流LED的高速增長。隨著人們加速努力降低因生產能源而導致的碳排放總量，LED可使全球照明的使用能源減少10%，而這為向LED照明的轉變增加了動力。

　　正在興起的大功率LED應用

　　大電流LED的推出使利用這些LED的大功率照明應用得以實現(xiàn)，從而取代了效率相對低的白熾燈。在建筑照明和DLP投影儀等應用中，傳統(tǒng)上需要500~1000W的鹵素燈，而 20A LED可以提供同樣的光輸出(以流明為單位)，但是僅需要相當于鹵素燈20%的電力。在建筑應用中，LED驅動器的效率必須非常高，而且能提供寬的調光比，以在多種環(huán)境條件下保持恒定的光輸出。在高端DLP投影應用中，紅、綠和藍(RGB)光LED陣列取代了傳統(tǒng)的鹵素燈、色輪和鏡陣(MEM)。不過，為了準確地混合顏色，LED驅動器必須能夠在兩個不同的穩(wěn)定峰值電流狀態(tài)之間快速切換，而且能夠覆蓋PWM調光范圍而不會有中斷。設計能夠滿足這些苛刻的速度和準確度要求的大電流LED驅動器IC，同時優(yōu)化總體效率，給IC設計師帶來了很多新的挑戰(zhàn)。

　　用于DLP投影儀的LED照明

　　高端DLP投影儀歷史上一直使用大功率白熾燈以及色輪和鏡陣，以投射相對高分辨率的圖像。

　　隨著很多這類投影儀需要500W甚至5kW的燈，整個系統(tǒng)的熱量管理成為主要的設計障礙。甚至在有大量熱量管理系統(tǒng) (這些系統(tǒng)需要恒定氣流冷卻) 的情況下，燈的壽命也相對較短，而且更換非常昂貴。新的設計用一個大電流RGB LED陣列取代大功率燈、色輪和鏡陣，這極大地減少了浪費的熱能，同時改善了顏色混合的準確度，極大地提高了對比度和總體分辨率。不過，為了達到想要的性能水平，這些 LED 需要獨特的 LED 驅動器設計。首先，驅動器必須能夠提供高達 20A 的連續(xù) LED 電流和高達 40A 的脈沖電流。其次，驅動器必須提供超過 90% 的效率，以最大限度地減少對熱量問題的考慮。最后，為了實現(xiàn)顏色混合所需的寬動態(tài)范圍，驅動器必須能夠在 3 個良好穩(wěn)定的電流狀態(tài)之間快速和準確地切換，而且沒有任何中斷。

　　LT3743

　　LT3743 是一種同步降壓型 DC/DC 轉換器，為提供恒定電流以驅動大電流 LED 而設計。該器件的 5.5~36V輸入電壓范圍使其非常適用于多種應用，包括工業(yè)、DLP 投影和建筑照明。LT3743從一個標稱 12V 的輸入提供高達 20A 的連續(xù) LED 電流，從而提供超過 80W 的功率。在脈沖 LED 應用中，該器件可以提供高達 40A 的 LED 電流或從一個 12V 輸入提供 160W 功率。高達 95% 的效率使得無需外部散熱措施，并極大地簡化了熱量設計。一個頻率調節(jié)引腳使用戶能夠在 100kHz 至 1MHz 之間設定頻率，因此設計師們可以優(yōu)化效率，同時最大限度地減小外部組件尺寸。LT3743 有 PWM 和 CTRL_SELECT 調光 (參見圖 1)，在 3 種 LED 電流值上提供 3000:1 的調光能力，從而使該器件非常適合諸如 DLP 投影儀中所需的那類顏色混合應用。類似地，LT3743 獨特的拓撲使它能夠用不到 2ms 的時間在兩個穩(wěn)定的 LED 電流值之間轉換，從而在 RGB 應用中實現(xiàn)了更準確的顏色混合。

　　高效率工作

　　在驅動要求驅動電流高達 20A 的 LED 時，轉換效率至關重要。首先，為了保持 LED 在提供光時的高效率，IC 驅動器還必須提供高效率，以最大限度地減少以熱量形式浪費的能源。其次，很多應用 (諸如 DLP 投影儀和建筑照明) 都需要占板面積非常緊湊的解決方案。結果，LED 驅動器 IC 不應該需要任何附加的散熱措施來消散浪費的功率。LT3743 運用一種獨特的設計，這種設計面向 CTRL_L 和 CTRL_H 電流電路采用同步整流和外部切換的負載電容器，從而為最常需要的占空比提供高于 90% 的效率。

　　圖 2 顯示 LT3743 的效率怎樣隨著占空比變化，同時用 2A 至 20A 的電流驅動一個綠光 LED。其他工業(yè)應用，諸如激光二極管驅動器，在脈沖應用中也需要這樣的高效率。

　　三態(tài)電流控制

　　LT3743 運用一種獨特的設計，該設計可實現(xiàn)三態(tài)電流控制，面向每一個電流值都具有 3000:1 的調光比。圖 3 顯示了這些不同的電流值是怎樣控制的。首先，當 PWM 信號變高時，它將 LED 電流設置為從零到由 CTRL_L 設定的電流值，在這個例子中，ILED = 2A。然后，當 CTRL_SEL 引腳變高時，ILED = 20A。所有這些電流值都保持 ±6% 的準確度，從而確保一致的亮度。相反，當 CRTL_SEL 變低時，ILED 返回到 2A，而當 PWM 信號變低時，ILED 進入關斷狀態(tài)。LT3743 單獨的 CTRL_L 和 CTRL_H 控制環(huán)路使這些電流值能夠以約 2ms 的時間非?？斓剞D換，同時保持非常高的效率。

　　這種三態(tài)電流控制實現(xiàn)了高端 DLP 投影儀應用，這類應用利用 RGB LED 提供前所未有的顏色準確度和動態(tài)范圍。圖 4 顯示，與兩態(tài)控制相比，三態(tài)電流控制是如何提供更高性能。傳統(tǒng)上，兩態(tài)控制視相對占空比的不同而有所變化，或者完全接通、或者徹底斷開每一個 RGB LED，以確定顏色。這使投影顏色準確度完全取決于單個 LED 的顏色準確度，而 LED 的顏色準確度可能有相當大的變化。不過，因為高端 DLP 投影儀需要最高質量的圖像和彩色再現(xiàn)，所以需要一種新的方法來實現(xiàn)這樣的高質量。也就是說，要實現(xiàn)最高的顏色準確度，單個 LED 中的變化必須通過與其它兩個彩光 LED 混合來校正，以提供最準確的顏色。例如，當紅光 LED 以滿電流接通時，藍光和綠光 LED 以較低的電流值接通，這樣它們就可以混合，以產生最準確的紅色。PWM 和 CRTL_S 引腳上 3000:1 的調光能力進一步擴大了混合顏色的動態(tài)范圍。這種顏色混合的相互作用方式可以在圖 4 中看到。

　　電流值之間的快速轉換

　　為了保持最準確的顏色混合能力，LED 驅動器不僅必須在 3 種不同的電流值上提供三態(tài)電流控制和準確的 PWM 調光，而且還必須從相對低電流的穩(wěn)定狀態(tài) (約為 2A) 轉換到高得多的穩(wěn)定電流值 (約為 20A)，以維持 PWM 調光邊緣的原狀。LT3743 的獨特設計使該器件能夠非常快地進行這類轉換。即正如在圖 5 中可以看到的那樣，LT3743 可以在不到 2ms 的時間內從 2A 恒定電流狀態(tài)轉換到 20A 狀態(tài)，從而使該器件非常適用于顏色混合 RGB 應用。

　　除了 RGB LED 顏色混合應用，驅動大功率激光二極管的工業(yè)應用也需要這種在兩個很好穩(wěn)定的電流值之間轉換的能力，如在約 2~5ms 的時間范圍內，從 2A 轉換到 20A，以實現(xiàn)脈沖激光應用。

　　結論

　　在大電流LED 應用中使用的 LED 驅動器 IC，已經(jīng)產生了很多具體的性能要求。首先，要求這些 IC 最大限度地提高 LED 解決方案的總體效率，以降低對能源需求。其次，它們必須提供占板面積緊湊和扁平的解決方案，以滿足小尺寸和外形扁平的應用的需求。最后，基于 LED 的解決方案必須提供比其前輩白熾燈更高的性能優(yōu)勢。例如，在工業(yè)應用中，這類應用包括從大功率內部/外部照明到驅動激光二極管以切割和原材料成形的各種應用。所有這些應用都需要大幅降低所需的電力，但是又需要非常具體的性能改進。