《電子技術(shù)應(yīng)用》
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投影儀的LED光源驅(qū)動器的設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第8期
顧 巍,張 龍
(萬代半導(dǎo)體元件(上海)有限公司,上海200070)
摘要: 介紹了在采用LED做光源的投影儀中,如何設(shè)計(jì)LED光源的驅(qū)動電路。分析了負(fù)壓型Buck電路的設(shè)計(jì)及PWM調(diào)光電路、短路保護(hù)、過壓保護(hù)、環(huán)路測試等問題。
中圖分類號: TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2011)08-0072-03
Design of LED driver used in projector
Gu Wei,Zhang Long
AOS Semiconductor Co., Ltd. (Shanghai),Shanghai 200070,China
Abstract: In this paper, the design of LED driver in projector is introduced. The topology of negative Buck converter, PWM dimming circuit, short circuit protection, over voltage protection and control loop test has been analyzed.
Key words : negative voltage Buck converter;LED driver;PWM dimming;short circuit protection;over voltage protection;test of control loop


    目前,市面上投影機(jī)采用的光源主要為UHP燈、UHE燈、HID與LED燈。LED投影儀光源與前幾種相比有以下優(yōu)勢:(1)光源壽命長,有效壽命為50 000 h;(2)體積小,使得投影產(chǎn)品更加便攜化;(3)無預(yù)熱時間;(4)可以很方便地進(jìn)行各種形式多顆粒組合;(5)LED光源不含任何對人體有害的元素。隨著LED光源技術(shù)的不斷成熟,必然會成為投影機(jī)光源的發(fā)展趨勢。本文重點(diǎn)介紹投影儀中LED光源驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。
1 LED投影機(jī)
    LED投影機(jī)的光源一般是由高亮的紅、綠、藍(lán)三種顏色LED組成。電源采用可提供12 V~19 V直流輸出的交流/直流適配器,此電壓作為后級LED驅(qū)動電路的輸入。為了產(chǎn)生較高的光通量,需要采用多顆LED串聯(lián)或并聯(lián)。由于在同樣功率情況下,綠光光通量最高,紅光其次,藍(lán)光最低,因此,為了使各種顏色的光輸出匹配,不同顏色的LED需要不同的數(shù)量,設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動電路也不一樣。
2 藍(lán)光LED驅(qū)動電路
    藍(lán)光LED在相同電流條件下,產(chǎn)生的光通量較低,因此需要采用多顆LED才能與其他顏色光輸出匹配。為了使每顆LED的電流一致,采用多顆LED串聯(lián)方案。對于12 V的輸入電壓,由于多顆LED串聯(lián)后要求的驅(qū)動電壓高于輸入,可以采用Boost電路或者負(fù)壓型電路。本文介紹一種負(fù)壓型的Buck電路。
2.1 負(fù)壓Buck變換器的原理
    負(fù)壓型Buck變換器的基本原理[1]如圖1所示。與傳統(tǒng)Buck變換器不一樣,需將上分壓電阻R1的上端作為虛擬地,輸入電壓接入芯片VIN和該虛擬地之間,芯片的GND是一個可調(diào)節(jié)的負(fù)輸出電壓。該電路的基本工作原理和Buck電路是一致的。在每一個開關(guān)周期開始時,高端MOSFET由時鐘信號控制打開,電感通過VIN充電。當(dāng)電流信息大于COMP端電壓時,高端MOSFET關(guān)斷,同時電感電流通過二極管續(xù)流?;陔姼蟹敕e平衡的原理,可得:
  

 

 

    雖然式(2)在形式上和Buck-Boost變換器是一致的,但其本質(zhì)上仍然是一個Buck變換器。因?yàn)樵摰仁娇梢杂昧硪环N方式來解釋:以虛擬地作為參考基準(zhǔn),該Buck變換器的輸入電壓為VIN-VO(VO是負(fù)值),輸出電壓為-VO。參考Buck變換器的輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系,得到等式為:
    (VIN-VO)×D=-VO                           (3)
    事實(shí)上,式(2)和式(3)經(jīng)過換算后是一致的。
2.2 LED驅(qū)動電路電路
    AOZ1242是一款高效簡單的3 A輸出Buck變換器,可以用在多種不同的場合。其輸入電壓范圍是4.5 V~32 V,工作頻率恒定在370 kHz,內(nèi)部NFET的內(nèi)阻只有70 m?贅。經(jīng)過簡單變換,該Buck芯片可以做成LED驅(qū)動電路,如圖2所示。由于需采用恒流控制替代恒壓控制,下分壓電阻R2處改用檢流電阻Rsen來檢測LED電流。上分壓電阻R1則不再使用,直接由輸入接入LED正端,LED負(fù)端連接到檢流電阻Rsen上端。LED串聯(lián)的電壓是VIN-VOUT。由于VOUT是負(fù)值,加在LED串上的驅(qū)動電壓高于輸入電壓。

2.3 PWM調(diào)光
    在LED和檢流電阻Rsen之間加入一個MOSFET。由于LED的亮度隨著電流的變化而改變,通過控制MOSFET的導(dǎo)通占空比,可改變LED的平均電流,從而達(dá)到改變LED亮度變化的目的。需要注意的是,當(dāng)進(jìn)行PWM調(diào)光時,Q2關(guān)斷瞬間Rsen上無電流流過,此時輸出電壓必須由過壓保護(hù)限制,這樣就會造成輸出電容上的電壓上下波動。采用同步的PWM信號,可同時控制EN端和Q2的門極,但如果芯片軟啟動時間較長則不適用。本文介紹一種簡單高效的PWM調(diào)光方式,如圖3所示。COMP端接一正向?qū)▔航递^低的二極管的正端D5,當(dāng)PWM信號高時,對COMP電壓不產(chǎn)生影響;當(dāng)PWM信號低時,拉低COMP端電壓,從而停止芯片的PWM開關(guān)。從圖4可以看出,在5%~100%占空比情況下,LED平均電流具有很好的線性度。

2.4 過壓保護(hù)電路和短路保護(hù)電路
    過壓保護(hù):當(dāng)電路的輸出端開路時,電流環(huán)不再工作。此時,輸出電壓由穩(wěn)壓管Z1、電阻Rz和Rsen控制,其穩(wěn)定電壓值為VZ+VFB。一般情況下,該值需要大于LED串聯(lián)電壓值,否則LED無法得到期望電流。過壓保護(hù)電路如圖5所示。


    短路保護(hù): 為了防止LED串短路對電路造成損壞,可以加入短路保護(hù)電路。當(dāng)LED串短路時,Rsen上會產(chǎn)生一較高電壓,三極管Q觸發(fā)導(dǎo)通。MOSFET的門極電壓變?yōu)榈碗娖?,MOSFET關(guān)斷。短路保護(hù)電路如圖6所示。

2.5 控制環(huán)路測試[2]
    由于LED驅(qū)動電路不同于一般的開關(guān)電源電路,無法在上分壓電阻處加入擾動信號,因此,必須借助于一個運(yùn)算放大器來測量LED驅(qū)動電路的環(huán)路。因?yàn)檫\(yùn)放的輸出端是低阻,芯片的FB端是高阻,所以可以在運(yùn)放輸出端和FB之間加入100 ?贅電阻,如圖7所示。

2.6 藍(lán)光LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)實(shí)例
    設(shè)計(jì)要求:輸入電壓12 V,負(fù)載為6個LED串聯(lián),輸出電流1 A。
    采用如圖8所示的負(fù)壓型Buck電路作為LED驅(qū)動。通過改變Q2門極PWM驅(qū)動信號的占空比,實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光的目的。

    在12 V輸入電壓條件下,采用負(fù)壓型的Buck電路可以實(shí)現(xiàn)對6個串聯(lián)LED的驅(qū)動,并且該電路具有短路保護(hù)、過壓保護(hù)、PWM調(diào)光等功能。相對于專有的大功率LED升壓驅(qū)動芯片方案,負(fù)壓型Buck驅(qū)動方案性價比更高。

參考文獻(xiàn)
[1] 劉松,丁穎.汽車電子系統(tǒng)中負(fù)壓變換器的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2009(4):107-109.
[2] 劉松,張龍,顧巍.基于降壓轉(zhuǎn)換器的LED驅(qū)動器反饋環(huán)路設(shè)計(jì)及測試[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2009(6):58-59.

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