基于异常零件温度上升的单串升压式LED控制IC应用

随着环保意识的抬头及日益严苛的节能要求，在消费型产品Notebook，Monitor以及TV…等等的背光源应用，LED已逐渐取代冷阴极灯管CCFL的应用。因为LED具有发光效率高耗电量少，寿命长，环保无汞，导通电压低安全性高..等等优点。在照明方面，高亮度发光二极管(LED)的功效提升已经超过白炽灯，并且能够与线性荧光灯相媲美，且LED多彩化和可以调光的特性，可为照明空间营造特殊氛围，因而备受市场喜爱，LED取代荧光灯管已是未来的趋势。 　　在消费型产品面板的背光源方面，面板依产品的应用不同，面板尺寸也不一样，不同的面板尺寸所需要的LED颗数都不相同，所以面板的背光源线路的设计会随着LED电压电流的大小，LED颗数的不同及LED灯条的结构，而有所不同。然而最终的目的都是希望能以最精简的线路，最低价格，有最佳的特性。LED面板据灯条数目的不同，LED灯条电压电流的不同，需要选择最适当的LED控制器应用电路，才能达到最佳的性能。 　　面板背光源以4个灯条为比较常用的规格，所以用一颗SOP16包装4通道升压式LED控制IC来驱动4个灯条看起来应该是不错的解决方案，如果考虑灯条彼此LED顺向导通电压的差异，所导致的消耗功率所产生热的问题，或者在LED颗粒损坏短路，造成灯条彼此LED两端电压的不同，所以有损坏的灯条所需的顺向导通电压会变低，因而会造成异常的零件温度上升，如果希望能解决因为彼此灯条顺向导通电压不同所产生温度的问题，SOP 8包装1通道升压式LED控制IC的设计，可以有效解决这一类的问题。本文将探讨一些多通道并联应用的特性，并介绍更易于使用、所需外部组件更少、特性更好、成本更低且具有更高效率的代替方案。 　　下图是一个DC-DC转换器产生一个直流的输出电压提供给4信道LED灯条的线路应用，每一个LED灯条都连接到IC内部MOS的Drain端，为了降低开关本身功率的损耗，Drain端的电压准位越小越好。LED顺向导通电压一般为2.8V~3.4V，若每条LED灯条为10颗LED串接时，每条LED灯条电压的范围为28V~34V，再加上MOS Drain端对地的电压为0.5V，所以每一个LED灯条的输出总电压范围为28.5V~34.5V，为了要让每一个LED灯条都能够导通，DC-DC转换器的输出电压势必要输出一个最大电压34.5V，才能确保每一个LED灯条都能导通，对于导通电压只需28.5V的灯条而言，多出来的电压为34.5V减掉28.5V，所以会有多出来的6V的电压反应在MOS的Drain端，以100mA LED电流来计算，就有0.6W的功率损耗反应在这颗MOS组件上，就要去处理功耗所导致热的问题。 　　图一:4通道升压式LED控制IC线路架构 　　另外一个需要注意的是，当其中一串LED灯条中如果有LED因为老化或其他原因导致LED损坏短路的话，则该串LED灯条的LED导通电压变低，而DC-DC转换器产生的直流输出电压因为其他LED灯条的导通电压不变，所以有损坏的LED灯条，会在MOS的Drain端有较多的跨压在上面。如图二所示，2颗LED短路发生时，有2个LED顺向导通电压降的电压反应在MOS的Drain端，就会有多余功率损耗反应在MOS组件上，导致MOS组件热的问题。 　　图二:4通道升压式LED控制发生2颗LED短路的线路架构 　　下图是LED电流、顺向导通电压的温度特性曲线。LED的顺向导通电压VF跟流过LED的电流成正比，LED电流越大，LED的顺向导通电压VF就越大。LED的顺向导通电压VF跟温度成反比，LED温度越高，LED的顺向导通电压VF反而越小。所以以LED灯条当作输出的背光源及照明应用，都需要考虑到此一LED的特性，特别是输出过电压保护的设计，因为LED灯条输出不是一个固定电压，所以需要特别小心，不当的设计会导致在某些条件造成无法开机的问题。 　　图三、温度特性曲线 　　鉴于LED多串并联应用，须考虑到每一串LED顺向导通电压VF的分布问题，所以LD5861提供另一种选择方案，单串LED升压转换器应用。单串LED应用，输出电压会随着LED颗数增加，LED的总输出电压也会增加。LD5861是一异步电流侦测模式的升压控制器，9V到28V宽广的输入电压范围，IC可以工作的责任周期(duty cycle)可达90%左右，可以符合LED照明应用跟LED背光应用的需求。 　　由于是一组升压转换器驱动一组LED灯条输出，所以不用考虑因为LED灯条彼此顺向导通电压的差异所造成温度的问题，LED电流的设定为从FB脚位连接一个电阻到地，FB电压为0.3V±2%，若电阻为1奥姆，则LED电流范围为294mA~306mA，电流精确度高。考虑到单串高压LED的应用，LD5861在DRV pin产生一个14V用来驱动MOS的匝极电压，可以有效地降低MOS的零件温度。图四为一单串LED升压转换器在照明应用不需要PWM调光的简单应用线路，同时集合所有LED应用的保护线路在一个SOP 8的包装里提供一个最精简的应用线路。 　　图四:单串LED升压转换器没有PWM调光的线路架构 　　在LED背光的应用，需要PWM调光来控制面板的亮度变化，图五是单串LED升压转换器在背光的应用外接PWM调光的控制线路，在LED串的路径上串接一个MOS开关组件Q2PWM控制信号除了提供给DIM Pin当IC的控制开关外，也提供给MOS开关组件Q2的闸极当驱动信号来控制开关的导通和截止，来达到PWM调光的功能，因为PWM控制信号同时提供给LD5861 DIM脚位来控制升压MOS开关Q1的导通和截止，所以在MOS开关组件Q2截止时，升压MOS开关Q1是同步截止，可以避免升压线路发生过电压的风险。 　　图五:单串LED升压转换器有PWM调光的线路架构 　　LD5861保护功能为LED灯串开路保护及LED灯串短路保护，过温度保护OTP，过电流保护OCP，输出端回授路径开路及输出端过电压保护，线路零件二极管Diode开路及短路保护，输出端短路与电感短路保护，集合所有LED应用的保护线路在SOP 8的包装里，确保系统可靠性。 　　LED灯串开路保护: 　　当单串LED开路时，输出电压会冲高直到OVPPin电压达到2.5V，DRV立刻停止Switching，所以输出电压会慢慢往下降，直到OVP pin电压降至1.5V时，DRV才会试着重新启动Switching去侦测LED灯串开路现象是否排除，如果开路现象排除，即可回复正常工作状态。 　　动作流程图及时序图如下： 　　LED灯串短路保护: 　　(1)正常工作时LED灯串短路 　　当LED灯串发生数颗LED短路时，在LED短路瞬间，对应的FB pin会有突波电压瞬间弹起。当FB pin弹起来的突波电压超过到0.6V时，DRV会立刻停止Switching，直到FB pin电压降至0.4V时，DRV从新启动Switching。 　　动作流程图及时序图如下： 　　(2)正常工作时LED灯串全部短路 　　图六:单串LED升压转换器所有LED短路的线路说明 　　当全部的LED发生短路时，对应FB pin电压会迅速上升。当FB pin上的电压上升到2.5V时，DRV立刻停止Switching，并且将DIM pin pull low，此时LED灯串上的开关Q2 MOS会不导通，可以保护开关Q2 MOS与对地电阻不会损毁。通过DIM pin time-out(DIM=0V持续200ms以上)，系统关闭可以解除该狀态。 　　动作流程图及时序图如下： 　　芯片OTP保护: 　　LD5861包含过温保护线路，当芯片温度高于150°C(典型值)时，OTP保护动作，IC进入休息狀态。当芯片温度低于120°C(典型值)时，IC会被重新启动。 　　OCP保护: 　　LD5861具有cycle by cycle OCP功能，当CS pin上电压峰值达到0.5V(典型值)时，DRV占空比会被钳制住，可以保护开关组件NMOS及防止电感L发生饱和现象。 　　输出开路保护: 　　当正常工作输出开路时，透过OVP实现保护，动作机制与LED灯串全部开路相同。 　　输出Diode开路启动保护: 　　当输出Diode开路后启动系统，LD5861会先侦测OVP pin电压，当OVP pin电压<0.2V时，DRV停止动作，IC处于休息模式，直到Diode接回，OVPpin电压>0.2V，IC便可正常工作。 　　动作流程图及时序图如下： 　　输出短路/输出电感短路/输出Diode短路保护: 　　当正常工作下发生输出短路、输出电感短路或输出Diode短路时，可以透过CS pin上电压峰值大于1V(典型值)时，DRV立刻停止Switching，此时系统会被钳制住在休息模式以避免输出Diode或Inductor烧坏。通过DIM pin time-out (DIM=0V持续200ms以上)，系统关闭可以解除该狀态。 　　动作流程图如下: 　　结论 　　不论在LED照明应用方面或是在消费型产品Notebook，Monitor以及TV的背光源应用方面，LED顺向导通电压VF的分布所造成热的棘手问题，一直困扰着系统的设计工程师，在有限的空间里想要顺利的解决零件热的问题，除了增加散热片外，LD5861　1个LED通道的应用，可以有效解决此问题，再配合完整且全面LED系统应用保护，提供用户另外一种选择的LED驱动的解决方案。