基于多个LED灯阵列的高效驱动方案

在电器产品中，led被越来越多地用于产生光，例如，在液晶电视背光应用中，led替代了传统的冷阴极荧光灯（ccfl）。在工业及通用照明应用中，它逐渐替代了白炽灯、紧凑型荧光灯（cfl）和高强度灯。led提供的光强与流过led的电流大小成正比；耗散的功率与电流及led正向电压成正比。
光源和功率耗散最好是使用多个小电流的led来分摊，而不是使用可能需要更高成本的pcb和将增加系统总成本的附加散热的少许大功率led.例如，在液晶显示器（lcd）背光应用中，白光led均匀地分布在lcd的一侧或几侧；在led灯具中，为数众多的led提供了更加散射的照明和在pcb和散热片上更好的散热。基于这两点理由，使用大量led的方法便很常见了。
驱动一串led而非并联的多个led，提供了固有的电流匹配及更少的互连端子。在单一串断开连接的情况下，照明将会完全停止。因此，较好的措施是引入一些冗余，并且最少并联两串led.由此带来的结果是，偏置led的阳极电压降低--这将可以提升安全性。
另一方面，多串配置提供一致的光输出要求电流匹配。不同串的正向电压特性可能略有不同，从而需要予以监测，因为在使用线性驱动器时，这可能会导致过多的热耗散。驱动器电路检测led开路和led短路故障情况并持续工作至关重要。
带升压转换器及线性驱动器的24v直流电源
传统上，电视机包含一个提供24vdc的开关模式电源（smps）。相同的电源如今可以连接到dc-dc升压转换器，产生正向偏置长led串所要求的高压（范围介于80v与200v之间）。升压转换器包含一个脉宽调制（pwm）控制器，例如安森美半导体公司的uc3843或ncp1252.然后，系统使用线性led控制器，来对多串电流进行调节，并为升压转换器提供反馈，从而将阳极电压自动调节到尽可能地低，以将线性led驱动器的功率耗散降至最低（如图1所示）。工作期间可能出现几种故障，而需要由控制器来处理。常见的问题包括led通道开路及led通道短路。
图1：带线性led驱动器的dc-dc升压转换器模块图。
led开路保护
在过压或led串变为开路的情况下，升压转换器将增加阳极电压（vout），因为它试图调节流过led通道的电流。峰值阳极电压必须限制到一个安全值（即“led开路电压”），从而避免因超过额定电压而造成升压电路、其输出电容或线性驱动器损坏的情况发生。
检测led开路故障的一种方法，是将阳极端子连到分压电阻（ra、rb），并将中点连接到低压比较器（oca输入），如图1所示。一旦阳极电压达到led开路电压，led驱动器就可以通过检测阴极被电流调节器电路下拉到地电位，识别出led通道开路。然后，电源可以关闭并忽略开路的通道，直到系统复位或dc-dc升压电路关闭。通过使用漏极开路输出标志（open），可将led开路故障报告给系统（见图2波形）。led开路电压可以设定为比与led最大正向压降（低环境温度条件下）对应的最高阳极电压高出10%或20%.
图2:led开路时的上电
led短路保护
在某些异常情况下，某些led可能短路，或者led串的阴阳极端子可能会意外连到一起。这将导致阴极电压升高（位于ledx引脚），并可能导致驱动器电路中耗散过多热量。为了减少功率耗散，一种选择是减小led电流，直到短路状态消失。led正向压降失配也可能触发led短路故障。判断这一状况的标准是一个升高的阴极电压：一旦阴极电压超过该极限，便会触发故障。通过使用漏极开路输出标志（short），可将该故障报告给系统。驱动器电路的功率耗散（pd）可以这样计算：pd=∑vledxxiledx，其中，vledx是阴极电压，iledx是各通道的led电流。
调光方法
调光是令用户可以通过改变led电流来调节亮度或光通量的一项重要功能。有两种调光方法：或是使用pwm，或是使用模拟输入信号。pwm调光通过将led通道反复打开和关闭，来调节led电流，以致平均led电流与占空比成正比。例如，100ma标称电流的5%占空比相当于5ma平均电流。为了不引起可见闪烁，pwm频率应最少为100hz（通常约为300hz）。较低的pwm频率支持较高的调光分辨率，特别是在低占空比时。pwm调光的一项优势是，它保持led的色彩。模拟调光通过一个模拟电压（anlg输入）控制调光，该模拟电压设置电流值与其电压成正比。若有需要，这两种方法也可以同时使用。
解决方案
安森美半导体的cat4026 6通道led控制器，为调节多个高压串和监控它们，并支持故障诊断，提供了一个集成的解决方案。每个led通道通过一个外部双极型功率晶体管（q1至q6）来调节（见图3中的应用电路）。该晶体管通过一个串联电阻接地，以便通过将其电压（rset引脚）调节至1v来控制电流。该晶体管也连接至led阴极：led阴极可能会经受高压，应当能够在led短路故障的情况下，应对最大阳极电压。该晶体管的额定电压非常重要。粗略估计晶体管耗散功率的一种好的方法，是用集电极至发射极电压乘以led电流。在针对散热选择封装类型和设计pcb版图时，应当考虑最坏情况。
阳极电压由led控制器向dc-dc转换器提供反馈的闭环系统自动确定。cat4026通过vcs引脚，识别出最高正向压降串或最低阴极电压。一旦最低阴极电压处于标称净空电压，升压转换器就达到了正常工作状态。由于所有通道都连接至相同的阳极电压，其他串将遭受更高的阴极电压，而导致晶体管耗散一些功率。所有工作的led通道的电流，由外部电阻（r1到r6）单独设定（如图3所示），同时，iledx=1v/rx.
图3：带有cat4026 led控制器的升压转换器。
cat4026 vcs引脚通过二极管或网络（lo-sense，为二极管压降增加了0.6v），检测最低阴极电压。当oca引脚电压达到1v且开路通道阴极被下拉至地电位时，cat4026便开始led开路检测。led短路事件由sca引脚通过二极管或网络（hi-sense）检测最高阴极电压来检测。齐纳二极管（zvsca）支持led短路阈值电压调节。
cat4026控制并确保多达6个led串的紧密匹配。对于少于6串的应用而言，未使用的通道引脚保持为未连接状态；对于多于6串的应用而言，可以并联连接多颗cat4026--一个主控制器向电源提供反馈。cat4026采用soic 28引脚封装，易于贴装在单面pcb上。
本文小结
线性控制器为驱动多个led串提供了灵活的解决方案，其中，功率将在分立晶体管中耗散，而不是在控制器ic中耗散。cat4026控制器并不与施加在led串上的高压直接接触，非常适合于电压高达200v或更高、输出功率达100w及以上的长led串的应用。
来源；电子工程网