LED之前世今生及其驱动概述

　　由于电视台的节目安排都是老电影，因此必需要有一个人工操作员。因为好莱坞导演喜欢采用各种对比度的胶片以艺术方式为拍摄现场提供照明(这远远超出了旧的RS-170视频的处理能力)，因此这样就使得电视摄像操作变得比较复杂。我第一天的工作就是消除它们的艺术效果。

　　这是一种似曾相识的经历，四十年后，我在NXP的会议室里观看一些IC驱动日立高清电视机上的LED背光，以便在信号链的显示端进行一些处理，这与我曾经在摄像机端做过的操作类似，不过这种操作并没有怎么冒犯电影导演的初衷。

　　动态背光的一个重要考虑因素是粒度。每个背光LED都可以照亮相当多的像素，因此光强度的变化必须逐渐扩展到LED的各个行和列。即使是这样，这也比我以前通过增益和设置控制达到的效果要好。

　　可控硅调光

　　脉宽调制(PWM)可以控制LED光输出。为了实现动态背光，驱动器需要高带宽控制通道。许多创新都源于为顺应传统可控硅和SCR调光器的调光输入而采用LED替代白炽灯源和荧光灯源的需求。这也是传统技术拖累新一代技术的其中一个案例。

　　调光部件很容易采用恒流直流电源供电。此时的挑战在于根据LED方案没有的控制器来实现调光。这样，基本调光就只是一个改变脉宽调制恒流方波工作周期的过程，它会相当快地进行开关，从而避免产生可察觉的闪烁。

　　凭经验来讲，超过100Hz(欧洲主要频率的两倍)就足够了。事实上，欧洲管制机构正在开始关注当LED驱动器AC-DC前端中的功率因数校正(PFC)给施加给LED的波形带来谐波时的这种相对较低的速率和短工作周期。

　　在处理难题之前，需要先考虑可控硅调光器引起的一些基本问题，可控硅调光器是通过中断交流波形的每个半周期部分来控制简单的白炽灯的亮度的。如果负载是灯泡的灯丝，这个问题就是小事一桩，不过如果负载是恒流驱动器IC的话，这个问题就不简单了(请参见ELectronicdesign.com 上的“High-Brightness White LEDs Light The Way To Greener Illumination”一文)。

　　例如，美国国家半导体公司(NSC)的LM3445降压控制器是一款可控硅调光驱动器。事实上，NSC公司的工程师开发了一款专有的恒定关断时间方案，用于维持整个LED串中的恒流(图3)。这实际上是一种脉冲频率调制，因为采用恒定关断时间时，导通时间就成了唯一的变量。这样，通过改变切换频率来控制导通时间就可以轻松实现了。

　　图3：美国国家半导体的LM3445是首款用于普通照明LED产品的驱动器，它允许采用传统可控硅调光器进行调光。

　　LM3445的输入端有一个齐纳桥。此齐纳桥后面的“填谷”电路可使斩波操作更加顺利，并允许降压稳压器即使在可控硅处于关断状态时也可以汲取功率。

　　此IC的外接电路需要一个仿真白炽灯灯丝电阻的“泄漏”电阻，这种电阻是传统照明电路中的可控硅中的一部分。“泄漏电阻”一般是指穿过交流电源的输出电容的电阻。这里的“泄漏电阻”消耗掉流经关断状态下的可控硅的小电流。

　　在泄漏电阻的同一节点处，有一个带一个15V齐纳管和一个电源调整三极管的外部电路。电源调整三极管与大多数稳压线路电压“保持一定距离”，因此，此IC的感应引脚上的电压在降至齐纳桥的阈值以下时就会随稳压线路电压的变化而变化。

　　相对于交流线路波形45°至135°的可控硅调光器发射角，LM3445具有10%至100%的调光范围。该电路部分基于斜坡发生器和比较器。斜坡比较器的输出通过施密特触发器驱动共源极N沟道MOSFET，MOSFET的漏极电压与可控硅调光器的工作周期成正比。还有另外一个用于设置PWM关断时间的电路。通过一个电阻来设置驱动LED电流的实际电流。

　　凌力尔特公司(Linear Technology)的LT3799针对类似的可控硅控制的应用(图4a)。该器件的设计人员对从AC-DC级开始的功率转换级投入了大量工作，与NSC公司的升压转换器技术相比，其AC/DC级采用反激式拓扑结构实现。其目的在于使整流部分的功率因数在整个调光范围内尽可能接近统一，而不会将有害的谐波传到转换链中。

　　图4：凌力尔特发布的LT3799(a)利用了可控硅电压(顶部)与驱动电流脉冲(底部)(b)之间的关系。

　　强调PFC的意义在于满足欧洲IEC61000-3-2标准的要求，该标准是根据线路频率的谐波来规定功率因数的，而不是将功率因数规定为电力线上的电压与电流之间的相位角。功率因数的这两个定义是等效的，两个定义都与负载电抗有关，但相关的方式有所不同。

　　每一个整流电路都包含一个大输出电容，这个电容可储存和平滑来自整流二极管的脉动直流。平滑操作的结果是，负载从每个交流输入周期某一部分的线路汲取能量。在每个周期的其余部分，负载从电容汲取能量。虽然交流线路电压为正弦电压，但交流线路电流却是尖峰电流，频率呈傅立叶级数，为交流线路频率的倍数。

　　IEC61000-3-2标准规定了每个谐波(多达32次谐波)允许的最大值。凌力尔特的芯片旨在满足该标准的要求，通过主动PFC将功率因数保持在0.97以上。

　　采用凌力尔特的PFC方法的其中一个优势是它实际上可以简化可控硅调光。LT3799采用隔离型反激式拓扑结构，变压器次级输出馈回至初级端进行控制，就像在任何反激式结构中一样。不过，与大多数反激式级不同的是，该级采用第三变压器绕组进行隔离，而不是采用光耦进行隔离。

　　该芯片在工作时通过从感应电阻获得的外部MOSFET峰值电流信息来计算转换器的输出电流。(请参见LT3799数据手册第9页和第10页，网址为http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3799f.pdf)。当主电源关断时，LT3799还可以通过第三绕组上的电压来检测和报告打开的LED串。正常工作时，第三绕组不仅可以感应输出电压，还能向IC供电。

　　为实现0.97以上的功率因数，PFC电路在临界导通模式下工作，也就是介于连续导通模式与断续导通模式的边沿。

　　虽然前端比较复杂，不过根据可控硅导通的AC波形的每个半周期的持续时间对LED串进行调光的实际过程非常简单明了。根据数据手册，可控硅调光器在关断时并不是理想的开关，因为它们允许流经数毫安的电流。

　　事实上，这是可控硅的一个明显特征。其他公司的调光控制器提供像白炽灯灯泡的灯丝一样的电阻性负载，用来实现可控硅触发。在凌力尔特的驱动器中，主电源MOSFET保持导通状态，以便正确地加载可控硅，而不是在可控硅关断时关断主电源MOSFET。当可控硅导通时，驱动器检测到这一状态，从而实现控制回路。

　　当调光器的可控硅处于关断状态时，泄漏电流仍然流经LT3799的内置滤波器。除变压器初级绕组充当分压器之外，该电流对IC的输入电容进行充电，会引起随机开关和LED闪烁。MOSFET栅级信号电平升高，以便在可控硅处于关断状态时MOSFET导通，从而能够排出泄漏电流。可控硅一旦导通，MOSFET就会无缝地变回正常供电器件(图4b)。

　　头痛和癫痫问题

　　调光的决定性挑战来自iWatt公司，这是一家无晶圆厂半导体公司，他们公司的调光器主要用于LED替换灯泡。这一特定的利基市场目前已由iWatt公司主导，其挑战在于实现驱动器能够从数百个可控硅控制器中识别出哪个可控硅控制器正在使用，进而根据该信息定制灯的行为。

　　此外，该公司还表示，负责管理欧洲安全标准的人员正在进一步研究针对普通照明应用的LED驱动器的AC-DC级中抑制的