LED驱动电源原理介绍
下图为正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值(约2V)，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF与VF成正比。见表是当前主要超高亮LED的电气特性。由表可知，当前超高亮LED的最高IF可达1A，而VF通常为2～4V。
由于LED光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，光通量(φV)与IF的关系曲线，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，LED的正向压降变化范围比较大(最大可达1V以上)，而由上图中的VF-IF曲线可知，VF的微小变化会引起较大的，IF变化，从而引起亮度的较大变化。所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驱动。
下图是 LED的温度与光通量(φV)关系曲线，由下图可知光通量与温度成反比，85℃时的光通量是25℃时的一半，而一40℃时光输出是25℃时的1.8倍。温度的变化对LED的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。
下图是LED的温度与光通量关系曲线。
一般LED驱动电路介绍
由于受到LED功率水平的限制，通常需同时驱动多个LED以满足亮度需求，因此，需要专门的驱动电路来点亮LED。下面简要介绍LED概念型驱动电路。
阻限流电路如下图所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按下式计算。
式中：Vin为电路的输入电压： VF为IED的正向电流; VF为LED在正向电流为，IF时的压降; VD为防反二极管的压降(可选); y为每串LED的数目; x为并联LED的串数。
由上图可得LED的线性化数学模型为
式中：Vo为单个LED的开通压降; Rs为单个LED的线性化等效串联电阻。则上式限流电阻的计算可写为
当电阻选定后，电阻限流电路的IF与VF的关系为
由上式可知电阻限流电路简单，但是，在输入电压波动时，通过LED的电流也会跟随变化，因此调节性能差。另外，由于电阻R的接人损失的功率为xRIF，因此效率低。
线性调节器介绍
线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或MOSFFET作为一动态可调电阻来控制负载。线性调节器有并联型和串联型两种。
下图a所示为并联型线性调节器又称为分流调节器(图中仅画出了一个LED，实际上负载可以是多个LED串联，下同)，它与LED并联，当输入电压增大或者LED减少时，通过分流调节器的电流将会增大，这将会增大限流电阻上的压降，以使通过LED的电流保持恒定。
由于分流调节器需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒定的调节。
下图b所示为串联型调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻增大，以保持LED上的电压(电流)恒定。
由于功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正确地工作。
开关调节器介绍
上述驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低。在用于低功率的普通LED驱动时，由于电流只有几个mA，因此损耗不明显，当用作电流有几百mA甚至更高的高亮LED的驱动时，功率电路的损耗就成了比较严重的问题。开关电源是目前能量变换中效率最高的，可以达到90%以上。Buek、Boost和 Buck-Boost等功率变换器都可以用于LED的驱动，只是为了满足LED驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。
下图(a)为采用Buck变换器的LED驱动电路，与传统的Buek变换器不同，开关管S移到电感L的后面，使得S源极接地，从而方便了S的驱动，LED 与L串联，而续流二极管D与该串联电路反并联，该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容，降低了成本。但是，Buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个LED串联的场合。
上图(b)为采用Boost变换器的LED驱动电源，通过电感储能将输出电压泵至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对LED的驱动。优点是这样的驱动IC输出可以并联使用，有效的提高单颗LED功率。
上图(c)为采用Buck—Boost变换器的LED驱动电路。与Buek电路相似，该电路S的源极可以直接接地，从而方便了S的驱动。Boost和 Buck-Boosl变换器虽然比Buck变换器多一个电容，但是，它们都可以提升输出电压的绝对值，因此，在输入电压低，并且需要驱动多个LED时应用较多。
PWM调光知识介绍
在手机及其他消费类电子产品中，白光LED越来越多地被使用作为显示屏的背光源。近来，许多产品设计者希望白光LED的光亮度在不同的应用场合能够作相应的变化。这就意味着，白光LED的驱动器应能够支持LED光亮度的调节功能。目前调光技术主要有三种：PWM调光、模拟调光、以及数字调光。市场上很多驱动器都能够支持其中的一种或多种调光技术。本文将介绍这三种调光技术的各自特点，产品设计者可以根据具体的要求选择相应的技术。
PWM Dimming (脉宽调制) 调光方式——这是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光LED驱动器的调光技术。应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光LED的亮度。PWM 调光的优点在于能够提供高质量的白光，以及应用简单，效率高!例如在手机的系统中，利用一个专用PWM接口可以简单的产生任意占空比的脉冲信号，该信号通过一个电阻，连接到驱动器的EN接口。多数厂商的驱动器都支持PWM调光。
但是，PWM 调光有其劣势。主要反映在：PWM调光很容易使得白光LED的驱动电路产生人耳听得见的噪声(audible noise，或者microphonic noise)。这个噪声是如何产生?通常白光LED驱动器都属于开关电源器件(buck、boost 、charge pump等)，其开关频率都在1MHz左右，因此在驱动器的典型应用中是不会产生人耳听得见的噪声。但是当驱动器进行PWM调光的时候，如果PWM信号的频率正好落在200Hz到20kHz之间，白光LED驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声。所以设计时要避免使用20kHz以下低频段。
我们都知道，一个低频的开关信号作用于普通的绕线电感(wire winding coil)，会使得电感中的线圈之间互相产生机械振动，该机械振动的频率正好落在上述频率，电感发出的噪音就能够被人耳听见。电感产生了一部分噪声，另一部分来自输出电容。现在越来越多的手机设计者采用陶瓷电容作为驱动器的输出电容。陶瓷电容具有压电特性，这就意味着：当一个低频电压纹波信号作用于输出电容，电容就会发出吱吱的蜂鸣声。当PWM信号为低时，白光LED驱动器停止工作，输出电容通过白光LED和下端的电阻进行放电。因此在PWM调光时，输出电容不可避免的产生很大的纹波。总之，为了避免PWM调光时可听得见的噪声，白光LED驱动器应该能够提供超出人耳可听见范围的调光频率!
相对于PWM调光，如果能够改变RS的电阻值，同样能够改变流过白光LED的电流，从而变化LED的光亮度。我们称这种技术为模拟调光。
模拟调光最大的优势是它避免了由于调光时所产生的噪声。在采用模拟调光的技术时，LED的正向导通压降会随着LED电流的减小而降低，使得白光LED的能耗也有所降低。但是区别于PWM调光技术，在模拟调光时白光LED驱动器始终处于工作模式，并且驱动器的电能转换效率随着输出电流减小而急速下降。所以，采用模拟调光技术往往会增大整个系统的能耗。模拟调光技术还有个缺点在于发光质量。由于它直接改变白光LED的电流，使得白光LED的白光质量也发生了变化!
除了PWM调光，模拟调光，目前有些产商的驱动器支持数字调光。具备数字调光技术的白光LED驱动器会有相应的数字接口。该数字接口可以是SMB、I2C、或者是单线式数字接口。系统设计者只要根据具体的通信协议，给驱动器一串数字信号，就可以使得白光LED的光亮发生变化。
注：本文以海信2264电源板为例讲述。
RSAG7.820.2264板正面图
RSAG7.820.2264板背面图
图1、电源整体方框图示
一、电源输入、滤波、整流部分电路:
220V电压经过保险管F802,压敏电阻RV801过压保护,进入由L807、C802、C803、C804、L806等组成的进线抗干扰电路.滤除高频干扰信号后的交流电压通过VB801、C807、C808整流滤波后,得到一个300V左右的脉动直流电压.
图2、进线抗干扰、整流滤波部分图示
图3、电源输入、滤波、整流电路部分原理图示
二、待机5VS电路:
图4、5VS电压形成部分方框图示
表一 N831 STR-A6059H引脚功能
1、待机5VS的形成原理：
本机5V待机电压由N831和外围元器件组成,PFC端电压通过开关变压器T901的初级绕组1-3端加到N831的第7脚和第8脚(MOS管的D极.启动电流输入端)N831开始工作.T901各个绕组产生感应电压.4端和5端绕组感应电压经过R837限流VD832整流C835滤波后,为N831第5脚提供20V直流工作电压.20V电压另外经过待机控制信号PS-ON控制三极管V832控制光耦和V916控制后为PFC电路N810的第8脚供电.
2、5V的稳压电路：
T901次级绕组经过VD833整流,C838、L831、C839组成的T型滤波器滤波后,形成5VS电压.5V稳压电路由取样电阻R843、R842、R841及N903,光耦N832组成.当5V电压升高时,分压后的电压加到N903的R端,经内部放大后使K端电压降低,光耦N832导通增强,N831的第4脚反馈控制端电压降低,经内部
电路处理后,控制内部MOS管激励脉冲变窄,使5VS降到正常
值.
3、5V的欠压和过流保护电路：
N831的第1脚是内电路MOS管源极通过外接电阻R831接地,也是内电路的过流检测端,电流大时起到保护作用.N831的第2脚是掉电欠压检测输入端,电阻R897、R899、R823、R901组成市电电压检测电路,电阻R900和R901组成20V电压掉电检测,当负载加重或者其他原因引起20V电压下降时,电阻R900和R901的分压也随之下降,当降到电路设计的阈值时,电路保护,停止工作.
图5、稳压取样回路部分图示
图6、市电检测及20V掉电检测部分图示
图7、5V待机部分电路原理图示
三、待机控制、功率因数校正PFC电路：
图8、功率因数校正PFC部分图示
表二 N810 NCP33262引脚功能
1、PFC的形成：
本机的PFC电路由储能电感L811,PFC整流管VD812,N810(NCP33262)及其外围元件组成.当主机发出开机信号后VCC经过R815限流VZ812稳压,C814、C816滤除杂波加到N801的第8脚后,经内部电路给软启动脚第2脚外接电容充电,电平升高后PFC电路进入工作状态,将整流后的300V电压变换为整机所需380V的PFC电压.
2、PFC详细工作过程：
N810的第7脚输出斩波激励脉冲经过灌流电路加到斩波管V811、V810的G极,在激励信号的正半周激励脉冲分别经过R895、VD816、R820、VD815加到两只MOS管的G极,使V811、V810导通.在激励信号的负半周,脉冲经过R836和R821加到V805、V806的B极,V805、V806导通,MOS管的G极电压快速释放,斩波管截止.VZ814和VZ811是斩波管G极过压保护二极管.R1034、R902两只电阻的作用是在关机时泄放掉MOS管G-S间的电压.经过电阻R811、R812、
R813、R814分压得到正弦波取样电压进入到N810第3脚,用
于校正第7脚输出脉冲波形.由于此电源工作在DCM状态,储
能电感L811次级绕组11-13端感应的电压经R816和R868分压后为N810第5脚提供过零检测信号,控制PFC电路内部斩波信号的开启和关断.
2、PFC电压的稳压：
电阻R826、R827、R828、R805、R829、R830组成PFC电压取样反馈电路,分压后的取样电压送到N810的第1脚,经内部误差放大电路比较后,调整第7脚激励脉冲的输出占空比,控制斩波管的导通时间,以达到稳定PFC电压的目的.
3、PFC的过流保护：
电阻R849、RR825为PFC电路过流检测电阻.如果出现电源负载异常过重时,MOS管过大的电流流经R825、R849、R825、R849上的压降就会升高,升高的电压经过R823加到N810的第4脚,N810停止工作,起到保护作用.
4、PFC市电欠压保护：
N810的第2脚是软启动端,该脚外接三极管V804接市电欠压保护电路,当市电电压过低时,由R1028、R1032、R1026、R1030组成的市电
电压分压取样电压ER电压为低电平,V804导通,4脚电平为低
电平芯片停止工作.
图9、待机控制电路部分图示
图10、PFC取样反馈电路部分图示
图11、市电输入检测部分图示
图12、PFC电路部分电原理图示
四、100V直流形成电路：
图13、NCP1396部分图示
图14、100V、12V直流形成部分图示
220V交流经过整流滤波,进行功率因数校正后得到400V左右的直流电压送入由N802(NCP1396)组成的DC-DC变换电路.PFC电压经过R874、R875、R876、R877分压后送入N802第5脚进行欠压检测,经运算放大输出跨导电流.开机同时第12脚得到VCC1供电,软启动电路工作,内部控制器对频率、驱动定时等设置进行检测,正常后输出振荡频率.第4脚外接定时电阻R880;第2脚外接频率钳位电阻R878,电阻大小可以改变频率范围;第7脚为死区时间控制,可以从150ns到1us之间改变.第1脚外接软启动电容C855;第6脚为稳压反馈取样输入;第8脚和第9脚分别为故障检测脚.
当N802的第12脚得到供电,第5脚的欠压检测信号也正常时,N802开始正常工作.VCC1加在N802第12脚的同时,VCC1经过VD839,R885供给倍压脚第16脚,C864为倍压电容,经过倍压后的电压为195V左右.
从第11输出的低端驱动脉冲通过拉电流电阻R860送入V840的G级,VD837、R859为灌电流电路.第15脚输出的高端驱动脉冲通过拉电流电阻R857送入V839的G级,VD836、R856为灌电流电路.
当V839导通时,400V的VB电压流过V839的D-S级及T902绕组、C865形成回路,在T902绕组形成下正上负的电动势,次级绕组得到的感应电压,经过VD853、C848整流滤波后得到100V直流电压,为LED驱动电路提供工作电压.次级另一路绕组经过R835、VD838、VD854、C854、C860、整流滤波后得到12V电压给主板伴音部分提供工作电压.次级另一绕组经过VD852、C851、C852、C853整流滤波后得到12V电压.
同理,当V840导通,V839截止时,在T902初级绕组形成上正下负的感应电动势耦合给次级.由R863、R864、R865、R832、R869、N842组成的取样反馈电路通过光耦N840控制N802第6脚,使其次级输出的各路电压得到
稳定,由C866、R867组成取样补偿电路。
图15、取样反馈回路部分图示
图16、PWM电路部分电路原理图示
五、LED背光驱动电路:
LED背光驱动部分采用OZMicro公司的OZ9902方案,OZ9902为双路驱动芯片,本电路采用2片OZ9902,也就是本电路采用了4路驱动.单路驱动简易图如下：
图17、LED背光驱动电路方框图示
表三 N906 OZ9902引脚功能
图18、LED背光驱动控制部分电路原理图示
1、驱动电路升压过程：
驱动芯片OZ9902第2脚得到12V工作电压,第3脚得到高电平开启电平,第9脚得到调光高电平,第1脚欠压检测到4V以上的高电平时,OZ9902开始启动工作,从OZ9902的第23脚输出驱动脉冲,驱动V919工作在开关状态.
1、电路开始工作时,负载LED上的电压约等于输入VIN电压.
2、正半周时,V919导通,储能电感L909、L913上的电流逐渐增大,开始储能,在电感的两端形成左正右负的感应电动势.
3、负半周时,V919截止,电感两端的感应电动势变为左负右正,由于电感上的电流不能突变,与VIN叠加后通过续流二极管VD926给输出电容C900进行充电,二极管负极的电压上升到大于VIN电压.
4、正半周再次来临,V919再次导通,储能电感L909、L913重新
储能,由于二极管不能反向导通,这时负载上的电压仍然高于
VIN上的电压.正常工作以后,电路重复3、4步骤完成升压过[Page]
程.
R919、R923、R929组成电流检测网络,检测到的信号送入芯片的20脚ISW11,在芯片内部进行比较,来控制V919的导通时间.
R909、R911、R914和R924是升压电路的过压检测电阻.连接至N905的第19脚的内部基准电压比较器.当升压的驱动电压升高时,其内部电路也会切断PWM信号的输出,使升压电路停止工作.
在N905内部还有一个延时保护电路,即由N905第10脚的内部电路和外接的电容C899组成.当各路保护电路送来起控信号时,保护电路不会立即动作,而是先给C899充电.当充电电压达到保护电路的设定阈值时,才输出保护信号.从而避免出现误保护现象,也就是说只有出现持续的保护信号时,保护电路才会动作.
2、PWM调光控制电路：
调光控制电路由V920等电路组成,V920受控于7脚的PWM调光控制,当第7脚为低电平时,第18脚的PROT1也为低电平,V920不工作.当第7脚为高电平时,第18脚的PROT11信号不一定为高电平,因为假如输出端有过压或短路情形发生,内部电路会将PROT1信号拉为低电平,使LED与升压电路断开.
R920、R926、R1025组成电流检测网络,检测到的信号送入芯片的第17脚ISEN1,第17脚为内部运算放大器+输入端,检测到的ISEN1信号在芯片内部进行比较,来控制V920的工作状态.
第11脚外接补偿网络,也是传导运算放大器的输出端.此端也受PWM信号控制,当PWM调光信号为高,放大器的输出端连接补偿网络.当PWM调光信号为低时,放大器的输出端与补偿网络被切断,因此补偿网络内的电容电压一直被维持,一直到PWM调光信号再次为高电平时,补偿网络才又连接放大器
的输出端.这样可确保电路工作正常,以及获得非常良好
的PWM调光反应.
其他三路电路工作过程同上,这里不在阐述.
六、故障实例
故障现象:不定时三无
分析检修:因该机不定时出现三无现象,大部分时间可以正常工作,无规律可循,有时几天出现一次.当故障出现时,测得无5VS电压,确定故障在5V产生电路.检测5V电路,N831(STR-A6059H)检测数据如下:第1脚:0V;2脚:6.2V;3脚:0V;4脚:开机瞬间有摆动随后0V;5脚:8-10V摆动;7、8脚300V.从检测结果可知N831启动后因4脚电压降低进入保护状态锁定电路无输出.能引起4脚电压降低进入保护状态的原因只有5VS稳压控制电路和4脚外围元件.对稳压控制电路相关元件在路检测正常,因为及其大部分时间能正常工作,故从故障形成机理和统计的角度看,这类故障多与原件性能参数不良或自身特性变差有
关,怀疑4脚外接电容C832不稳定漏电所致,试更换C832长
时间试机未见异常,故障排除.
故障点实物图示
故障现象:开机一分钟后屏幕二分之一处发黑
分析检修:由于故障现象是半面亮光发黑，因此判断是一组背光驱动电路异常所致。
开机检查,测得LED4+、LED4-输出端子电压为195V,而LED3+、LED3-输出端子只有108V.从电路图中可以看出,V925和V926这组输出未能正常升压形成LED所需的电压要求.什么原因会造成此故障呢?一、未有正常的驱动信号送至V925,使V925处于截止状态而形成不了升压;二、开机瞬间已有驱动信号驱动了V925,并形成升压过程,但由于LED负载异样使反馈信号异常迫使驱动块保护而停止输出输出驱动信号,而使V925截止输出,升压停止.
为了验证这个问题,再次监测LED3+、LED3-电压时,发现其开机电压瞬间会达到300V!从欧姆定律不难看出,当负载减轻时,电流则会减小,电源此时处于空载状态,电压自然会上升.由此判断此故障是由于LED灯
组断路而使输出电压过高引起的保护.更换屏后故障排除。
实物检测点标示
