基于異常零件溫度上升的單串升壓式LED控制IC應(yīng)用

隨著環(huán)保意識(shí)的抬頭及日益嚴(yán)苛的節(jié)能要求，在消費(fèi)型產(chǎn)品Notebook，Monitor以及TV…等等的背光源應(yīng)用，LED已逐漸取代冷陰極燈管CCFL的應(yīng)用。因?yàn)長(zhǎng)ED具有發(fā)光效率高耗電量少，壽命長(zhǎng)，環(huán)保無(wú)汞，導(dǎo)通電壓低安全性高..等等優(yōu)點(diǎn)。在照明方面，高亮度發(fā)光二極管(LED)的功效提升已經(jīng)超過(guò)白熾燈，并且能夠與線性熒光燈相媲美，且LED多彩化和可以調(diào)光的特性，可為照明空間營(yíng)造特殊氛圍，因而備受市場(chǎng)喜愛(ài)，LED取代熒光燈管已是未來(lái)的趨勢(shì)。 　　在消費(fèi)型產(chǎn)品面板的背光源方面，面板依產(chǎn)品的應(yīng)用不同，面板尺寸也不一樣，不同的面板尺寸所需要的LED顆數(shù)都不相同，所以面板的背光源線路的設(shè)計(jì)會(huì)隨著LED電壓電流的大小，LED顆數(shù)的不同及LED燈條的結(jié)構(gòu)，而有所不同。然而最終的目的都是希望能以最精簡(jiǎn)的線路，最低價(jià)格，有最佳的特性。LED面板據(jù)燈條數(shù)目的不同，LED燈條電壓電流的不同，需要選擇最適當(dāng)?shù)腖ED控制器應(yīng)用電路，才能達(dá)到最佳的性能。 　　面板背光源以4個(gè)燈條為比較常用的規(guī)格，所以用一顆SOP16包裝4通道升壓式LED控制IC來(lái)驅(qū)動(dòng)4個(gè)燈條看起來(lái)應(yīng)該是不錯(cuò)的解決方案，如果考慮燈條彼此LED順向?qū)妷旱牟町?，所?dǎo)致的消耗功率所產(chǎn)生熱的問(wèn)題，或者在LED顆粒損壞短路，造成燈條彼此LED兩端電壓的不同，所以有損壞的燈條所需的順向?qū)妷簳?huì)變低，因而會(huì)造成異常的零件溫度上升，如果希望能解決因?yàn)楸舜藷魲l順向?qū)妷翰煌a(chǎn)生溫度的問(wèn)題，SOP 8包裝1通道升壓式LED控制IC的設(shè)計(jì)，可以有效解決這一類(lèi)的問(wèn)題。本文將探討一些多通道并聯(lián)應(yīng)用的特性，并介紹更易于使用、所需外部組件更少、特性更好、成本更低且具有更高效率的代替方案。 　　下圖是一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)直流的輸出電壓提供給4信道LED燈條的線路應(yīng)用，每一個(gè)LED燈條都連接到IC內(nèi)部MOS的Drain端，為了降低開(kāi)關(guān)本身功率的損耗，Drain端的電壓準(zhǔn)位越小越好。LED順向?qū)妷阂话銥?.8V~3.4V，若每條LED燈條為10顆LED串接時(shí)，每條LED燈條電壓的范圍為28V~34V，再加上MOS Drain端對(duì)地的電壓為0.5V，所以每一個(gè)LED燈條的輸出總電壓范圍為28.5V~34.5V，為了要讓每一個(gè)LED燈條都能夠?qū)ǎ珼C-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓勢(shì)必要輸出一個(gè)最大電壓34.5V，才能確保每一個(gè)LED燈條都能導(dǎo)通，對(duì)于導(dǎo)通電壓只需28.5V的燈條而言，多出來(lái)的電壓為34.5V減掉28.5V，所以會(huì)有多出來(lái)的6V的電壓反應(yīng)在MOS的Drain端，以100mA LED電流來(lái)計(jì)算，就有0.6W的功率損耗反應(yīng)在這顆MOS組件上，就要去處理功耗所導(dǎo)致熱的問(wèn)題。 　　圖一:4通道升壓式LED控制IC線路架構(gòu) 　　另外一個(gè)需要注意的是，當(dāng)其中一串LED燈條中如果有LED因?yàn)槔匣蚱渌驅(qū)е翷ED損壞短路的話，則該串LED燈條的LED導(dǎo)通電壓變低，而DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的直流輸出電壓因?yàn)槠渌鸏ED燈條的導(dǎo)通電壓不變，所以有損壞的LED燈條，會(huì)在MOS的Drain端有較多的跨壓在上面。如圖二所示，2顆LED短路發(fā)生時(shí)，有2個(gè)LED順向?qū)妷航档碾妷悍磻?yīng)在MOS的Drain端，就會(huì)有多余功率損耗反應(yīng)在MOS組件上，導(dǎo)致MOS組件熱的問(wèn)題。 　　圖二:4通道升壓式LED控制發(fā)生2顆LED短路的線路架構(gòu) 　　下圖是LED電流、順向?qū)妷旱臏囟忍匦郧€。LED的順向?qū)妷篤F跟流過(guò)LED的電流成正比，LED電流越大，LED的順向?qū)妷篤F就越大。LED的順向?qū)妷篤F跟溫度成反比，LED溫度越高，LED的順向?qū)妷篤F反而越小。所以以LED燈條當(dāng)作輸出的背光源及照明應(yīng)用，都需要考慮到此一LED的特性，特別是輸出過(guò)電壓保護(hù)的設(shè)計(jì)，因?yàn)長(zhǎng)ED燈條輸出不是一個(gè)固定電壓，所以需要特別小心，不當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致在某些條件造成無(wú)法開(kāi)機(jī)的問(wèn)題。 　　圖三、溫度特性曲線 　　鑒于LED多串并聯(lián)應(yīng)用，須考慮到每一串LED順向?qū)妷篤F的分布問(wèn)題，所以LD5861提供另一種選擇方案，單串LED升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。單串LED應(yīng)用，輸出電壓會(huì)隨著LED顆數(shù)增加，LED的總輸出電壓也會(huì)增加。LD5861是一異步電流偵測(cè)模式的升壓控制器，9V到28V寬廣的輸入電壓范圍，IC可以工作的責(zé)任周期(duty cycle)可達(dá)90%左右，可以符合LED照明應(yīng)用跟LED背光應(yīng)用的需求。 　　由于是一組升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)一組LED燈條輸出，所以不用考慮因?yàn)長(zhǎng)ED燈條彼此順向?qū)妷旱牟町愃斐蓽囟鹊膯?wèn)題，LED電流的設(shè)定為從FB腳位連接一個(gè)電阻到地，F(xiàn)B電壓為0.3V±2%，若電阻為1奧姆，則LED電流范圍為294mA~306mA，電流精確度高?？紤]到單串高壓LED的應(yīng)用，LD5861在DRV pin產(chǎn)生一個(gè)14V用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS的匝極電壓，可以有效地降低MOS的零件溫度。圖四為一單串LED升壓轉(zhuǎn)換器在照明應(yīng)用不需要PWM調(diào)光的簡(jiǎn)單應(yīng)用線路，同時(shí)集合所有LED應(yīng)用的保護(hù)線路在一個(gè)SOP 8的包裝里提供一個(gè)最精簡(jiǎn)的應(yīng)用線路。 　　圖四:單串LED升壓轉(zhuǎn)換器沒(méi)有PWM調(diào)光的線路架構(gòu) 　　在LED背光的應(yīng)用，需要PWM調(diào)光來(lái)控制面板的亮度變化，圖五是單串LED升壓轉(zhuǎn)換器在背光的應(yīng)用外接PWM調(diào)光的控制線路，在LED串的路徑上串接一個(gè)MOS開(kāi)關(guān)組件Q2PWM控制信號(hào)除了提供給DIM Pin當(dāng)IC的控制開(kāi)關(guān)外，也提供給MOS開(kāi)關(guān)組件Q2的閘極當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和截止，來(lái)達(dá)到PWM調(diào)光的功能，因?yàn)镻WM控制信號(hào)同時(shí)提供給LD5861 DIM腳位來(lái)控制升壓MOS開(kāi)關(guān)Q1的導(dǎo)通和截止，所以在MOS開(kāi)關(guān)組件Q2截止時(shí)，升壓MOS開(kāi)關(guān)Q1是同步截止，可以避免升壓線路發(fā)生過(guò)電壓的風(fēng)險(xiǎn)。 　　圖五:單串LED升壓轉(zhuǎn)換器有PWM調(diào)光的線路架構(gòu) 　　LD5861保護(hù)功能為L(zhǎng)ED燈串開(kāi)路保護(hù)及LED燈串短路保護(hù)，過(guò)溫度保護(hù)OTP，過(guò)電流保護(hù)OCP，輸出端回授路徑開(kāi)路及輸出端過(guò)電壓保護(hù)，線路零件二極管Diode開(kāi)路及短路保護(hù)，輸出端短路與電感短路保護(hù)，集合所有LED應(yīng)用的保護(hù)線路在SOP 8的包裝里，確保系統(tǒng)可靠性。 　　LED燈串開(kāi)路保護(hù): 　　當(dāng)單串LED開(kāi)路時(shí)，輸出電壓會(huì)沖高直到OVPPin電壓達(dá)到2.5V，DRV立刻停止Switching，所以輸出電壓會(huì)慢慢往下降，直到OVP pin電壓降至1.5V時(shí)，DRV才會(huì)試著重新啟動(dòng)Switching去偵測(cè)LED燈串開(kāi)路現(xiàn)象是否排除，如果開(kāi)路現(xiàn)象排除，即可回復(fù)正常工作狀態(tài)。 　　動(dòng)作流程圖及時(shí)序圖如下： 　　LED燈串短路保護(hù): 　　(1)正常工作時(shí)LED燈串短路 　　當(dāng)LED燈串發(fā)生數(shù)顆LED短路時(shí)，在LED短路瞬間，對(duì)應(yīng)的FB pin會(huì)有突波電壓瞬間彈起。當(dāng)FB pin彈起來(lái)的突波電壓超過(guò)到0.6V時(shí)，DRV會(huì)立刻停止Switching，直到FB pin電壓降至0.4V時(shí)，DRV從新啟動(dòng)Switching。 　　動(dòng)作流程圖及時(shí)序圖如下： 　　(2)正常工作時(shí)LED燈串全部短路 　　圖六:單串LED升壓轉(zhuǎn)換器所有LED短路的線路說(shuō)明 　　當(dāng)全部的LED發(fā)生短路時(shí)，對(duì)應(yīng)FB pin電壓會(huì)迅速上升。當(dāng)FB pin上的電壓上升到2.5V時(shí)，DRV立刻停止Switching，并且將DIM pin pull low，此時(shí)LED燈串上的開(kāi)關(guān)Q2 MOS會(huì)不導(dǎo)通，可以保護(hù)開(kāi)關(guān)Q2 MOS與對(duì)地電阻不會(huì)損毀。通過(guò)DIM pin time-out(DIM=0V持續(xù)200ms以上)，系統(tǒng)關(guān)閉可以解除該狀態(tài)。 　　動(dòng)作流程圖及時(shí)序圖如下： 　　芯片OTP保護(hù): 　　LD5861包含過(guò)溫保護(hù)線路，當(dāng)芯片溫度高于150°C(典型值)時(shí)，OTP保護(hù)動(dòng)作，IC進(jìn)入休息狀態(tài)。當(dāng)芯片溫度低于120°C(典型值)時(shí)，IC會(huì)被重新啟動(dòng)。 　　OCP保護(hù): 　　LD5861具有cycle by cycle OCP功能，當(dāng)CS pin上電壓峰值達(dá)到0.5V(典型值)時(shí)，DRV占空比會(huì)被鉗制住，可以保護(hù)開(kāi)關(guān)組件NMOS及防止電感L發(fā)生飽和現(xiàn)象。 　　輸出開(kāi)路保護(hù): 　　當(dāng)正常工作輸出開(kāi)路時(shí)，透過(guò)OVP實(shí)現(xiàn)保護(hù)，動(dòng)作機(jī)制與LED燈串全部開(kāi)路相同。 　　輸出Diode開(kāi)路啟動(dòng)保護(hù): 　　當(dāng)輸出Diode開(kāi)路后啟動(dòng)系統(tǒng)，LD5861會(huì)先偵測(cè)OVP pin電壓，當(dāng)OVP pin電壓<0.2V時(shí)，DRV停止動(dòng)作，IC處于休息模式，直到Diode接回，OVPpin電壓>0.2V，IC便可正常工作。 　　動(dòng)作流程圖及時(shí)序圖如下： 　　輸出短路/輸出電感短路/輸出Diode短路保護(hù): 　　當(dāng)正常工作下發(fā)生輸出短路、輸出電感短路或輸出Diode短路時(shí)，可以透過(guò)CS pin上電壓峰值大于1V(典型值)時(shí)，DRV立刻停止Switching，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)被鉗制住在休息模式以避免輸出Diode或Inductor燒壞。通過(guò)DIM pin time-out (DIM=0V持續(xù)200ms以上)，系統(tǒng)關(guān)閉可以解除該狀態(tài)。 　　動(dòng)作流程圖如下: 　　結(jié)論 　　不論在LED照明應(yīng)用方面或是在消費(fèi)型產(chǎn)品Notebook，Monitor以及TV的背光源應(yīng)用方面，LED順向?qū)妷篤F的分布所造成熱的棘手問(wèn)題，一直困擾著系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師，在有限的空間里想要順利的解決零件熱的問(wèn)題，除了增加散熱片外，LD5861　1個(gè)LED通道的應(yīng)用，可以有效解決此問(wèn)題，再配合完整且全面LED系統(tǒng)應(yīng)用保護(hù)，提供用戶(hù)另外一種選擇的LED驅(qū)動(dòng)的解決方案。