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LED恒流驱动与不同控制模式的比较
时间:2017-05-11 12:02 作者:admin 来源:未知
 

  市场上可以买到的微功率电源芯片有以下几种控制模式:

  PFM、PWM、chargepump、FPWM、PFM/PWM以及pulse-skipPWM、digitalPWM

  其中常见的有PFM、PWM、chargepump以及PFM/PWM

  1、PFM是通过调节脉冲频率(即开关管的工作频率)的方法实现稳压输出的技术。它的脉冲宽度固定而内部震荡频率是变化的,所以滤波较PWM困难。但是PFM受限于输出功率,只能提供较小的电流。因而在输出功率要求低,静态功耗较低场合可采用PFM方式控制。

  2、PWM的原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下,控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节集成电路内部开关器件的导通脉冲宽度,使得输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM的开关频率一般为恒定值,所以比较容易滤波。但是PWM由于误差放大器的影响,回路增益及响应速度受到限制,尤其是回路增益低,很难用于LED恒流驱动,尽管目前很多产品都应用这种方案,但普遍存在恒流问题。在要求输出功率较大而输出噪声较低的场合可采用PWM方式控制。

  3、chargepump电荷泵解决方案是利用分立电容将电源从输入端送至输出端,整个过程不需要使用任何电感。chargepump主要缺点是只能提供有限的电压输出范围(输出一般不会超过2倍输入电压),原因是当多级chargepump级联时,其效率下降很明显。用chargepump驱动一个以上的白光LED时,必须采用并联驱动的方式,因而只适用于输入输出电压相差不大的应用。

  4、采用DigitalPWM(数字脉宽调制)通过对独立数字控制环路和相位的数字化管理,实现对DC/DC负载点电源转换进行监测、控制与管理,以提供稳定的电源,减少传统供电模组的电压波幅造成系统的不稳定,而且DigitalPWM并不需要采用传统较高量的液较高的可靠性和性能价格比,易于维护。综合上述诸多的因素,工程技术人员通过对磁翻版、真空像素管、电视墙、LED显示屏的比较,发现LED作为显示像素可以很好的满足上述要求,是一种很好的户内外显示屏媒体。

  同时,伴随着科学技术的发展,当今半导体发光二极管的性能达到了新的水平,其光电转换效率达到10cd/w以上,尤其蓝色超高亮LED器件的出现,使得LED器件的光谱覆盖了自然光的范围。

  因此,利用LED器件制造大型平板显示屏系统成为LED器件应用的重要领域,进而推动了大型显示屏系统发展并形成一种产业。用LED器件组成显示屏的最大特点在于其制造不受面积限制,可以达到几十甚至几百平方米以上,应用于室内外的各种公共场合显示文字、图形、图像、动画、视频图像等各种信息,成百上千人同时驻足观看,具有较强的广告渲染力和震撼力,对都市的社会活动有较强的气氛渲染作用,美化和丰富了人们的生活环境。

  图像采集技术

  LED电子显示屏要显示真彩图像,必须首先解决视频信号的实时采集,将模拟视频信号采集为数字视频图像。早期的做法是利用视频采集卡和一些带特征口(Feature-connect)的VGA卡相结合来实现。

  视频采集卡用来捕获视频图像,再通过VGA特征口获得场频、行频、像素点频以及颜色查找表的索引地址,在跟踪CRT图像时可以通过复制颜色查找表的方法来获得红、绿、蓝分离的数字信号。一种方法是用软件定时复制,另一种是采用硬件窃取技术,后者更为有效、快速。

  由于上述这种技术存在着与VGA卡兼容性差、边缘不清晰、图像质量较差等缺点,电子显示屏所显示的图象质量也受到了限制,为此,北京银河电脑公司于1998年研制开发出LED电子显示屏专用视频卡JMC-LED。

  该卡基于PCI总线,采用64位图形加速器,将VGA和视频功能合二为一,负责视频数据与VGA数据的叠加,色空间变换,从根本上解决兼容性问题。应用全屏分辨率采集,YUV4:2:2无压缩存储技术保证视频图像的最佳化,视频窗口采用EST边缘增强技术,保证缩放后图像的清晰程度。支持制式为PAL和NTSC,视频窗口可以任意缩放、移动。

  该卡可以将电子显示屏播放视频时所需的场频、行频、像素点频几个同步信号提取出来,并将红、绿、蓝三色信号分离出来。数字RGB格式为8:8:8,各可以产生256级灰度,能满足电子显示屏真彩播放的要求。

  真实图像色彩再现

  全彩LED电子显示屏的视觉原理与彩色电视机一样,是通过红、绿、蓝三种颜色的不同光强实现图像色彩的还原再现。红、绿、蓝的纯正度直接影响图像色彩再现的视觉效果。然而白光的三色配比不是简单的三种颜色的叠加。

  第一、在保证光频纯正的前提下,要求红、绿、蓝光强之比必须接近3:6:1;

  第二、由于人们视觉对红色的敏感性,要求红色发光源在空间上要分散分布;

  第三、由于人们视觉对红、绿、蓝三种颜色光强的不同的非线性曲线响应,要求不同光强的白光对红、绿、蓝要进行类似电视机里的γ校正;

  第四、人的视觉对色差的分辨能力有限。因此必须找出图像色彩再现真实性的客观指标。为了再现真实图像色彩,在LED电子显示屏的配光上应满足下面一些要求:?ゼbr>

  ①红、绿、蓝三色的波长应分别为:660nm、525nm、470nm左右;

  ②采用4管单元配白光为佳(多管单元也可以,取决于光强);?ゼbr>

  ③红、绿、蓝三色的灰度级为256级;?ゼbr>

  ④必须采用针对LED像素管的非线性校正。?ゼbr>

  红、绿、蓝三色配光及非线性校正可以用显示控制系统硬件实现,也可由播放系统软件实现。

  专用显示驱动电路

  从目前像素管的几种显示方式来看,可分为:①扫描驱动;②直流驱动;③恒流源驱动。对于户内点阵块屏,一般采用扫描方式;而对于户外像素管屏,要保证所显示的图像一致性好、稳定、高亮,必须采用直流驱动加恒流源方式。

  较早的LED电子显示屏驱动电路大多采用低压信号的串并转换CMOS电路和大电流驱动的双极电路两块组成(如74HC595+MC1413/UNL2803、CD4094/MC14094+MC1413、74HC164+74HC273+MC1413),这种形式的驱动电路存在着焊点多、成本高、可靠性低等问题。

  针对这些缺点,美国TI公司开发生产出TPIC6B595(TPIC6C595)专用集成电路(ASIC),它将串并转换和大电流驱动合二为一,这种ASIC具有如下显著特点:并行输出驱动能力大,单路驱动电流高达200mA,可直接驱动LED;电流电压范围宽,工作电压可在5~15V内灵活选用;串行输入、移位和锁存、时钟输入端口都设有施密特整形电路;串并输出电流大,吸收和供给电流都大于4mA,级连方便;数据处理速度高,串行时钟频率,fmax≥25MHz特别适用于多灰度彩色显示屏的LED驱动。

  我国的无锡东大先行微电子有限公司也于1998年生产出与TPIC6B595完全兼容的ASIC芯片AMT9094/9095,但价格大为降低。由于TPIC6B595的并行输出口仅为8位,驱动分辨率较高全彩显示屏时需要TPIC6B595的数量较大,且256级灰度控制较麻烦。

  为此,美国TI公司研制开发出LED电子屏显示驱动专用集成电路TLC5901/5902/5903,这种ASIC态电容用作储波及滤波作用。DigitalPWM数字控制技术,能够使得MOSFET管运行在更高的频率下,有效的缓解了电容所受到的压力。digitalPWM适用于大电流密度,其响应速度很快,但回路增益仍受到限制,目前成本相对较高。因此其在LED恒流驱动上的应用仍需进一步研究。

  5、FPWM(强制的脉宽调制)是一种恒流输出为基础的控制方式,它的工作原理是无论输出负载如何变化总是以一种固定频率工作,高侧FET在一个时钟周期打开,使电流流过电感,电感电流上升产生通过感抗的电压降,这个压降通过电流感应放大器放大,来自电流感应放大器的电压被加到PWM比较器输入端,和误差放大器的控制端作比较,一旦电流感应信号达到这个控制电压,PWM比较器就会重新启动关闭高侧FET开关的逻辑驱动电路,低侧的FET会在延迟一段时间后打开。在轻负载下工作时,为了维持固定频率,电感电流必须按照反方向流过低侧的FET。FPWM技术驱动芯片目前只见到MAXIM和NationalSemiconductor的芯片使用。

  如上PFM、PWM是采用恒压驱动方式控制LED,而FPWM和PFM/PWM是恒流驱动方式控制技术,实践证明较适合LED驱动。

  本公司近期推出的IV0101/IV0102升压转换器芯片。它的控制模式是在PFM基础上改进的PFM/PWM控制技术,是PFM与PWM有机结合的控制方式(不是PFM与PWM的切换),是以输入电压确定N开关管开启时间,输出电压与输入电压差确定同步管开启时间,而不像PWM采用误差放大器反馈输出的方式调节脉宽。在有一定负载情况下,开关频率取决于N管开启时间tN和P管开启时间tP。

  其中tPㄒKP/(Vout-Vin);tNㄑKN/Vin

  在轻负载时,充电周期持续在最大值tN。当电感电流为零,同步整流管开启时,芯片工作在分立式模式(DCM)下。当负载增加时,由于大负载原因,输出很快降至设定点。如果负载电流增加,芯片工作在连续模式(CCM)下,即总有电流流过电感,只要电感电流峰值没有达到最大,那N管开启时间tN始终保持在设定点。当充电结束开始放电周期时,开关管电流将达到最大。但是,满负载仍未达到,因为在最小放电时间结束后,输出仍然可调。当放电时间到最小值tP时,将达到满负载。所以本控制模式就是通过不断地调整N管开启时间tN和P管开启时间tP来调整开关频率从而保证恒流输出的。在PWM控制方式下,为了避免寄生电感造成的系统震荡故障,一般都要接输入电容Cin,本芯片在电源接入端没有接输入电容,因而省却了PCB板电容位置,减小了板面积,并且避免了在PWM循环时,由电容产生的突波脉冲现象,防止了系统效能下滑,因为它是PFM与PWM有机结合的控制方式,因而它具有PFM较快的响应速度和很高的回路增益及PWM大电流输出特性,可与PWM调光相配合,成为理想的中小功率LED恒流驱动芯片。

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