投影仪的LED光源驱动器的设计

顾 巍，张 龙

(万代半导体元件(上海)有限公司，上海200070)

目前，市面上投影机采用的光源主要为UHP灯、UHE灯、HID与LED灯。LED投影仪光源与前几种相比有以下优势：(1)光源寿命长，有效寿命为50 000 h；(2)体积小，使得投影产品更加便携化；(3)无预热时间；(4)可以很方便地进行各种形式多颗粒组合；(5)LED光源不含任何对人体有害的元素。随着LED光源技术的不断成熟，必然会成为投影机光源的发展趋势。本文重点介绍投影仪中LED光源驱动电路的设计。

1 LED投影机

LED投影机的光源一般是由高亮的红、绿、蓝三种颜色LED组成。电源采用可提供12 V～19 V直流输出的交流/直流适配器，此电压作为后级LED驱动电路的输入。为了产生较高的光通量，需要采用多颗LED串联或并联。由于在同样功率情况下，绿光光通量最高，红光其次，蓝光最低，因此，为了使各种颜色的光输出匹配，不同颜色的LED需要不同的数量，设计的LED驱动电路也不一样。

2 蓝光LED驱动电路

蓝光LED在相同电流条件下，产生的光通量较低，因此需要采用多颗LED才能与其他颜色光输出匹配。为了使每颗LED的电流一致，采用多颗LED串联方案。对于12 V的输入电压，由于多颗LED串联后要求的驱动电压高于输入，可以采用Boost电路或者负压型电路。本文介绍一种负压型的Buck电路。

2.1 负压Buck变换器的原理

负压型Buck变换器的基本原理[1]如图1所示。与传统Buck变换器不一样，需将上分压电阻R1的上端作为虚拟地，输入电压接入芯片VIN和该虚拟地之间，芯片的GND是一个可调节的负输出电压。该电路的基本工作原理和Buck电路是一致的。在每一个开关周期开始时，高端MOSFET由时钟信号控制打开，电感通过VIN充电。当电流信息大于COMP端电压时，高端MOSFET关断，同时电感电流通过二极管续流。基于电感伏秒积平衡的原理，可得：

对式(1)进行整理，得到输入电压和输出电压的关系：

图1 负压型Buck变换器

虽然式(2)在形式上和Buck-Boost变换器是一致的，但其本质上仍然是一个Buck变换器。因为该等式可以用另一种方式来解释：以虚拟地作为参考基准，该Buck变换器的输入电压为VIN-VO(VO是负值)，输出电压为-VO。参考Buck变换器的输入电压和输出电压的关系，得到等式为：

事实上，式(2)和式(3)经过换算后是一致的。

2.2 LED驱动电路电路

AOZ1242是一款高效简单的3 A输出Buck变换器，可以用在多种不同的场合。其输入电压范围是4.5 V～32 V，工作频率恒定在370 kHz，内部NFET的内阻只有70 mΩ。经过简单变换，该Buck芯片可以做成LED驱动电路，如图2所示。由于需采用恒流控制替代恒压控制，下分压电阻R2处改用检流电阻Rsen来检测LED电流。上分压电阻R1则不再使用，直接由输入接入LED正端，LED负端连接到检流电阻Rsen上端。LED串联的电压是VIN-VOUT。由于VOUT是负值，加在LED串上的驱动电压高于输入电压。

图2 LED驱动器

2.3 PWM调光

在LED和检流电阻Rsen之间加入一个MOSFET。由于LED的亮度随着电流的变化而改变，通过控制MOSFET的导通占空比，可改变LED的平均电流，从而达到改变LED亮度变化的目的。需要注意的是，当进行PWM调光时，Q2关断瞬间Rsen上无电流流过，此时输出电压必须由过压保护限制，这样就会造成输出电容上的电压上下波动。采用同步的PWM信号，可同时控制EN端和Q2的门极，但如果芯片软启动时间较长则不适用。本文介绍一种简单高效的PWM调光方式，如图3所示。COMP端接一正向导通压降较低的二极管的正端D5，当PWM信号高时，对COMP电压不产生影响；当PWM信号低时，拉低COMP端电压，从而停止芯片的PWM开关。从图4可以看出，在5%～100%占空比情况下，LED平均电流具有很好的线性度。

2.4 过压保护电路和短路保护电路

过压保护：当电路的输出端开路时，电流环不再工作。此时，输出电压由稳压管Z1、电阻Rz和Rsen控制，其稳定电压值为VZ+VFB。一般情况下，该值需要大于LED串联电压值，否则LED无法得到期望电流。过压保护电路如图5所示。

短路保护：为了防止LED串短路对电路造成损坏，可以加入短路保护电路。当LED串短路时，Rsen上会产生一较高电压，三极管Q触发导通。MOSFET的门极电压变为低电平，MOSFET关断。短路保护电路如图6所示。

2.5 控制环路测试[2]

图6 短路保护电路

由于LED驱动电路不同于一般的开关电源电路，无法在上分压电阻处加入扰动信号，因此，必须借助于一个运算放大器来测量LED驱动电路的环路。因为运放的输出端是低阻，芯片的FB端是高阻，所以可以在运放输出端和FB之间加入100 Ω电阻，如图7所示。

2 .6蓝光LED驱动电路设计实例

设计要求：输入电压12 V，负载为6个LED串联，输出电流1 A。

采用如图8所示的负压型Buck电路作为LED驱动。通过改变Q2门极PWM驱动信号的占空比，实现LED调光的目的。

在12 V输入电压条件下，采用负压型的Buck电路可以实现对6个串联LED的驱动，并且该电路具有短路保护、过压保护、PWM调光等功能。相对于专有的大功率LED 升压驱动芯片方案，负压型Buck驱动方案性价比更高。

图8 AOZ1242负压型LED驱动

[1]刘松，丁颖.汽车电子系统中负压变换器的设计[J].电子设计应用，2009(4)：107-109.

[2]刘松，张龙，顾巍.基于降压转换器的LED驱动器反馈环路设计及测试[J].电子设计应用，2009(6)：58-59.