《电子技术应用》

基于AP3031的高能效LED背光驱动电源方案

电子工程专辑 2011/1/24 0:00:00

随着电力电子技术的发展,越来越多的便携设备开始使用中小尺寸(7`~10`)的液晶面板作为显示输出装置。由于便携设备电池容量有限,低效率的背光电源方案会严重缩短设备的工作时间,因此如何提高背光驱动的效率显得至关重要。与此同时,随着市场竞争日趋激烈,生产成本也成为考量驱动方案的一个重要指标。

目前业界通常使用双级供电的电源方案为LED提供背光驱动,即从输入电源通过一级降压电路将电压降至5V,然后再通过一级升压电路为背光LED提供合适的驱动电压。这种方案的缺点是使用了两级供电,效率低而且成本偏高。
AP3031是BCD公司基于Poly emitter 工艺研制的新一代背光驱动IC,其特点是将芯片供电电压的最大值由业界常见的6V提高至20V。基于AP3031耐高压的特点,本文改进了背光驱动的方案,期望能够提高变换器的效率,同时降低方案成本。
高输入电压方案
图1 升压型背光驱动
图1是常见的升压型背光驱动,其中输入电压Vin=5V,由电池电压经过一级降压电路得到。输出电压约为10V,驱动3x13的LED矩阵。使用示波器测量升压电路中各个功率器件的电压电流波形,可以得到各功率器件的损耗功率,升压电路的功率损耗分布如图2所示。

图2 升压型背光驱动电路功耗分布图

由图2可以看出,导通损耗占了变换器损耗的最大部分,而导通损耗是电流流过功率管(图1中的Q和D)时产生的损耗。以Q管为例,Q管上的电压电流波形如图3所示。
图3 电感电流波形图
 

所以Q管的导通损耗PQcon-loss为:

   
由式1~2可以看出,在输出功率Pout一定的情况下,输入电压与导通损耗成反比,因此选择较高的输入电压可以有效降低功率开关管的导通损耗,提高变换器效率。
图4 电感电流波形图

实验测试结果如图4所示,变换器的效率随着输入电压的增加而增加。最高可至93%,比5V输入时提高8%。需要注意的是,此方案中的供电电压必需要小于输出电压,当供电电压高于输出电压(如使用三芯锂电池直接供电),可采用下面的单级Sepic变换器方案。

图5 sepic电路图

单级Sepic变换器方案
 
Sepic电路既可以实现升压,也可以实现降压,所以非常适用于输入电压变化较大的便携式系统。同时,因为AP3031高达20V的耐压值,使得系统可以使用一级Sepic电路直接进行背光驱动。图5为单级Sepic背光驱动电路图,其工作原理如图6所示。
 
 图6 Sepic工作原理图 

 
图6中Sepic电路工作可以分为两个阶段:a. Q1管导通阶段,电流流过L1并且线性增加,C1电容通过L2放电,L2电流也线性增加;b. Q1管关断阶段,电流流过L1向C1进行充电,电流线性减小,同时L2向负载放电,电流线性减小。具体各点波形如图7所示。
 
图7 Sepic电路图
 
 
结合各点波形对变换器中的两个电感L1和L2写出伏秒积平衡公式为:
 
由式3可以求出:
 
 
由式4可以看出Sepic电路既能升压,又能降压,能够适应大范围的输入电压的变化。与传统两级转换(Buck to Boost)电路结构相比, Speic电路省掉一级功率转换电路,可以显著提高背光效率,实验结果如图8所示。
 
图8 Sepic电路效率图 

 
背光电源方案的选择
 
依前文所述,系统背光电源方案的选择,主要取决于系统的供电结构:
* 对于采用5V DC供电的系统(如数码相框等),可以使用AP3031 Boost电路对背光进行供电。
* 对于采用双芯锂电池供电的系统(如便携式DVD等),也可以直接使用AP3031
Boost电路对背光进行供电,这样可以减小前级Buck电路中功率器件的过流能力需求,降低器件成本。
* 对于采用三芯或三芯以上锂电池供电的系统(如上网本等),可以采用AP3031
Sepic电路对背光进行供电,这样可以减少一级Buck功率变换电路,节约成本,提高系统可靠性。
 
本文小结
 
从本文可以看出,使用BCD公司的AP3031,可以设计出更高效率的LED背光驱动电源,同时还可以显著的降低背光电源的成本。这些方案技术成熟,优势明显,具有广阔的应用前景。
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