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 供電而發電所需的碳排放量。根據計算，如果將傳統白熾燈和熒光燈轉變為 LED 照明，那么全世界總能源消耗量可能節省多達 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加速，即使在當下這種經濟艱難時期也一樣。盡管預測數據各不相同，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。根據法國Yole Development公司的市場調查，到2012年，所有類型LED的市場規模將達到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7.83億美元市場規模 (基于封裝LED計算) 的 5.5 倍。迄今為止，這種增長大多數由較小電流的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出現在汽車前燈中，現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，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定峰值電流狀態之間快速切換，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，同時優化總體效率，給IC設計師帶來了很多新的挑戰。

　　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 (這些系統需要恒定氣流冷卻) 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 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，為了實現顏色混合所需的寬動態范圍，驅動器必須能夠在 3 個良好穩定的電流狀態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、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 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 的時間在兩個穩定的 LED 電流值之間轉換，從而在 RGB 應用中實現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。

　　三態電流控制

　　LT3743 運用一種獨特的設計，該設計可實現三態電流控制，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。LT3743 單獨的 CTRL_L 和 CTRL_H 控制環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。

　　這種三態電流控制實現了高端 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范圍。圖 4 顯示，與兩態控制相比，三態電流控制是如何提供更高性能。傳統上，兩態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，所以需要一種新的方法來實現這樣的高質量。也就是說，要實現最高的顏色準確度，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電流控制和準確的 PWM 調光，而且還必須從相對低電流的穩定狀態 (約為 2A) 轉換到高得多的穩定電流值 (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?？斓剡M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 恒定電流狀態轉換到 20A 狀態，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應用也需要這種在兩個很好穩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勢。例如，在工業應用中，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。