LED恒流驱动与不同控制模式的比较

作者：天津英诺华微电子 褚以人

欢迎访问e展厅 展厅 1 二极管、三极管展厅 晶体管, LED, 二极管, 高压二极管, 三极管, ... 白光LED是便携式电子消费品目前最常采用的背光方案，驱动白光LED的主要目标是产生正向电流流过器件，这可采用恒压源或恒流源来实现。使用恒压源驱动几个并联白光LED需要使用限流电阻，主要起过流保护作用。这个方法的主要缺点是：各个白光LED上的实际电压降是不一样的，由于白光LED正向电压降不同而造成电流变化，因而发光的强度也不一样。比较理想的解决方案是采用恒流源驱动，它能避免白光LED正向电压改变而造成的电流变动，通过调节电阻值可以精确设定流过白光LED的电流（ILED=VFB/R）。即使用可控制的恒定正向电流，就能提供可控制的恒定显示亮度。下面就介绍几种采用不同技术控制LED驱动的控制模式。 市场上可以买到的微功率电源芯片有以下几种控制模式： PFM、PWM、charge pump、FPWM、PFM/PWM以及pulse-skip PWM、digital PWM。其中常见的有PFM、PWM、charge pump以及PFM/PWM。 1、PFM是通过调节脉冲频率（即开关管的工作频率）的方法实现稳压输出的技术。它的脉冲宽度固定而内部震荡频率是变化的，所以滤波较PWM困难。但是PFM受限于输出功率，只能提供较小的电流。因而在输出功率要求低，静态功耗较低场合可采用PFM方式控制。 2、PWM的原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节集成电路内部开关器件的导通脉冲宽度，使得输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM的开关频率一般为恒定值，所以比较容易滤波。但是PWM由于误差放大器的影响，回路增益及响应速度受到限制，尤其是回路增益低，很难用于LED恒流驱动，尽管目前很多产品都应用这种方案，但普遍存在恒流问题。在要求输出功率较大而输出噪声较低的场合可采用PWM方式控制。 3、charge pump电荷泵解决方案是利用分立电容将电源从输入端送至输出端，整个过程不需要使用任何电感。charge pump主要缺点是只能提供有限的电压输出范围（输出一般不会超过2倍输入电压），原因是当多级charge pump级联时，其效率下降很明显。用charge pump驱动一个以上的白光LED时，必须采用并联驱动的方式，因而只适用于输入输出电压相差不大的应用。 4、采用Digital PWM（数字脉宽调制）通过对独立数字控制环路和相位的数字化管理，实现对DC/DC负载点电源转换进行监测、控制与管理，以提供稳定的电源，减少传统供电模组的电压波幅造成系统的不稳定，而且Digital PWM并不需要采用传统较高量的液态电容用作储波及滤波作用。Digital PWM数字控制技术，能够使得MOSFET管运行在更高的频率下，有效的缓解了电容所受到的压力。digital PWM适用于大电流密度，其响应速度很快，但回路增益仍受到限制，目前成本相对较高。因此其在LED恒流驱动上的应用仍需进一步研究。 5、FPWM（强制的脉宽调制）是一种恒流输出为基础的控制方式，它的工作原理是无论输出负载如何变化总是以一种固定频率工作，高侧FET在一个时钟周期打开，使电流流过电感，电感电流上升产生通过感抗的电压降，这个压降通过电流感应放大器放大，来自电流感应放大器的电压被加到PWM比较器输入端，和误差放大器的控制端作比较，一旦电流感应信号达到这个控制电压，PWM比较器就会重新启动关闭高侧FET开关的逻辑驱动电路，低侧的FET会在延迟一段时间后打开。在轻负载下工作时，为了维持固定频率，电感电流必须按照反方向流过低侧的FET。FPWM技术驱动芯片目前只见到MAXIM和National Semiconductor的芯片使用。 如上PFM、PWM是采用恒压驱动方式控制LED, 而FPWM和PFM/PWM是恒流驱动方式控制技术，实践证明较适合LED驱动。 天津英诺华微电子公司近期推出的IV0101/ IV0102升压转换器芯片。它的控制模式是在PFM基础上改进的PFM/PWM控制技术，是PFM与PWM有机结合的控制方式（不是PFM与PWM的切换），是以输入电压确定N开关管开启时间，输出电压与输入电压差确定同步管开启时间，而不像PWM采用误差放大器反馈输出的方式调节脉宽。在有一定负载情况下，开关频率取决于N管开启时间tN和P管开启时间tP。 其中tP ≧KP/(Vout-Vin) ；tN ≦KN/ Vin 在轻负载时，充电周期持续在最大值tN。当电感电流为零，同步整流管开启时，芯片工作在分立式模式（DCM）下。当负载增加时，由于大负载原因，输出很快降至设定点。如果负载电流增加，芯片工作在连续模式（CCM）下，即总有电流流过电感，只要电感电流峰值没有达到最大，那N管开启时间tN始终保持在设定点。当充电结束开始放电周期时，开关管电流将达到最大。但是，满负载仍未达到，因为在最小放电时间结束后，输出仍然可调。当放电时间到最小值tP时，将达到满负载。所以本控制模式就是通过不断地调整N管开启时间tN和P管开启时间tP来调整开关频率从而保证恒流输出的。在PWM控制方式下，为了避免寄生电感造成的系统震荡故障，一般都要接输入电容Cin，本芯片在电源接入端没有接输入电容，因而省却了PCB板电容位置，减小了板面积，并且避免了在PWM循环时，由电容产生的突波脉冲现象，防止了系统效能下滑，因为它是PFM与PWM有机结合的控制方式，因而它具有PFM较快的响应速度和很高的回路增益及PWM大电流输出特性，可与PWM调光相配合，成为理想的中小功率LED恒流驱动芯片。(end)

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