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从驱动LED背光向驱动固态光源转换[1]

2011-7-7  来源:Endicott研究集团  作者:Graham Upton  有4986人阅读

  来自LED 固体光源的大部分揭秘表明,不同的拓扑结构是针对不同应用而设定的。

  引言

  发光二极管从当初作为简单的指示器广泛使用 直到今日,已走过漫漫长路。市场分析认为LED 的发 展更早,而且将继续成熟普及,我们会感受到因为当 今高效、低价的LED 问世而极大地改变产业的面貌, 显示业界已看到LED 逐渐渗透到小尺寸显示器的背 光应用中,并且进一步向中、大尺寸LCD 扩展。

  随着LED 应用于各种媒体,需要特别关注其电 学控制方法,这有助于最大程度地发挥设计功效。尽 管在IC 和LED 驱动设计方面已有了长足进步,但仍 没有一种放之四海而皆准的LED 驱动器。当今聪明 的设计师和产品集成商根据应用需求以及所需功能, 选择配置最合适的驱动器类型。在为OEM 制造商选 择LED 驱动器之前,比如Endicott 研究集团就已将 影响选择的功能需求排了优劣次序,一些关键条件包 括尺寸、成本、功效、功耗、噪声、弱光和柔韧性。通常,驱动器设计人员或多或少地会受到供应链(比如LED 串的配置结构)最大化的影响,这种现象不仅是显示业 独有的,其它固态光源(SSL)领域也是如此。本文重点 陈述一些用于驱动OEM- LED 背光的标准结构,并讨 论普通LED 驱动器常规应用中的棘手问题。

  1、 SSL 光源的交/直流LED 驱动器

  国际电工委员会(IEC) 和美国国家标准学会 (ANSI)已规定了供给电源交流输入线的功率因数和 输入电流谐波成分,这些规定因应用的不同而有差 异,但两者对照明设备均存在影响。功率因数定义为 电器实际消耗的有功功率与输入视在功率之比,其中 强调了线电压与电流的相位关系。当电子设备的输入 电流消耗与相关电压成线性关系时(负载为纯电阻 性),功率因数为一个单位(或者1),如图1(a)所示。 功率因数为1 时非常理想,因为此时无用损耗降低了,噪声等损害信号也非常小。

  当负载既有非线性又有电抗性电路元件时,功 率因数就不再是1 了。如果负载具有线性、电容性和 电阻性,那么输入电流相位超前于输入电压,如图1 (b)所示;如果负载具有线性、电感性和电阻性,那么 输入电流相位滞后于输入电压。其它情况下视在功 率(通过设备的即时电压与电流)并不等于实际消耗 有功功率。这就是IEC 和ANSI 等机构强调有功功 率和视在功率的差别,而视在功率是很多功率计所 能监控的。

  2 、AC/DC 转换器中的桥式整流器和滤 波电容器

  在考虑功率因数和电流谐波之前,单相电压源由 桥式整流器和滤波电容器构成,这能够将交流输入电 流转换成有些波动的直流电流,波动部分会经过后续 的有源或无源滤波器滤除,得到平滑的直流电流。这 种电路成本不高,制造简单(目前广泛使用在小功率 电源中),当正弦输入电压到达峰值时,由桥式整流器 和滤波电容器构成的电路在极短时间内吸收了所有 输入电流,产生高度变形的输入电流波形(如图1(c)所示)。产生这种电流脉冲的原因在于桥式滤波器只有 瞬时线电压超过电容器上的电压值时才导通(也就是说 只有在输入峰值电压时电流才导通)。结果由于功耗等 于输入电流的平方值乘以线电阻,那么这种脉冲式输入 电流就降低了电源的效能。当电路网络使用这种 AC/DC 转换方式时,除了效能降低外,正弦波幅值附近 的线电压发生形变。注意图1(c)和图1(d)),为了消除 上述问题,提出了有源功率因数校正(PFC)电路,图1 (d)给出了典型的有源PFC电路输入电压与电流波形。

  3 、功率因数校正电路

  为了减少桥式整流器和滤波电容器构成的 AC/DC 转换方式产生的谐波电流,且在输入电压出 现相位差时保持电流畅通,采用了类似图2 所示的电 路结构。

  这个基于脉宽调制(PWM)的电路非常流行 且资料完备,但不是唯一的PFC 结构。 升压PFC 与升压型转换器的主要差别在于,PFC 电路为了给电阻性负载产生输入电流波形,可以调制 自身的输入电流消耗。如图2 所示,输入电流波形从 输入电压波形取样(在美国采用120Hz 的矫正输入 电压),并及时调制Q1,结果是得到与输入电压在频率和相位方面相匹配的类正弦波形。图2 给出的电阻性网络并非总是用来调制输入电流的方案结构,但却是非常流行的一款,其主要理由在于升压型转换器是目前大多数有源PFC 电路的应用基础,这种升压作用能够将0V 以上直至峰值电压的所有电路运用起来,从而节制了输入电流的畸变。

  通常PFC 电路要求配置一个较大值的滤波电容(C1),在调制输入电流时可以滤掉低频成分。这些电路也会输出200~400V 甚至更高的电压值(因为被升压的输入电压就是110V 或者220V),要求在PFC 的输出级与负载之间增加一个转换级。我们不希望升压型转换器出现高输出电压值,但这是这种电路结构所不可避免的。开关式转换器除了电流控制电路外还包含有源PFC,而且要求在输入端配置复杂的滤波器降低噪声回馈,并滤除噪声。

 

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