投影儀的LED光源驅(qū)動器的設(shè)計

顧 巍，張 龍

(萬代半導(dǎo)體元件(上海)有限公司，上海200070)

目前，市面上投影機采用的光源主要為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，必然會成為投影機光源的發(fā)展趨勢。本文重點介紹投影儀中LED光源驅(qū)動電路的設(shè)計。

1 LED投影機

LED投影機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。基于電感伏秒積平衡的原理，可得：

對式(1)進(jìn)行整理，得到輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系：

圖1 負(fù)壓型Buck變換器

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。因為該等式可以用另一種方式來解釋：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：

事實上，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 mΩ。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。

圖2 LED驅(qū)動器

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)榈碗娖剑琈OSFET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]

圖6 短路保護(hù)電路

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，必須借助于一個運算放大器來測量LED驅(qū)動電路的環(huán)路。因為運放的輸出端是低阻，芯片的FB端是高阻，所以可以在運放輸出端和FB之間加入100 Ω電阻，如圖7所示。

2 .6藍(lán)光LED驅(qū)動電路設(shè)計實例

設(shè)計要求：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。

圖8 AOZ1242負(fù)壓型LED驅(qū)動

[1]劉松，丁穎.汽車電子系統(tǒng)中負(fù)壓變換器的設(shè)計[J].電子設(shè)計應(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)計及測試[J].電子設(shè)計應(yīng)用，2009(6)：58-59.