基于AP3031的高效LED背光驅動電源方案

隨著電力電子技術的發展，越來越多的便攜設備開始使用中小尺寸(7`~10`)的液晶面板作為顯示輸出裝置。由于便攜設備電池容量有限，低效率的背光電源方案會嚴重縮短設備的工作時間，因此如何提高背光驅動的效率顯得至關重要。與此同時，隨著市場競爭日趨激烈，生產成本也成為考量驅動方案的一個重要指標。

目前業界通常使用雙級供電的電源方案為LED提供背光驅動，即從輸入電源通過一級降壓電路將電壓降至5V，然后再通過一級升壓電路為背光LED提供合適的驅動電壓。這種方案的缺點是使用了兩級供電，效率低而且成本偏高。

AP3031是BCD公司基于Poly emitter 工藝研制的新一代背光驅動IC，其特點是將芯片供電電壓的最大值由業界常見的6V提高至20V。基于AP3031耐高壓的特點，本文改進了背光驅動的方案，期望能夠提高變換器的效率，同時降低方案成本。

高輸入電壓方案

圖1 升壓型背光驅動

圖1是常見的升壓型背光驅動，其中輸入電壓Vin=5V，由電池電壓經過一級降壓電路得到。輸出電壓約為10V，驅動3x13的LED矩陣。使用示波器測量升壓電路中各個功率器件的電壓電流波形，可以得到各功率器件的損耗功率，升壓電路的功率損耗分布如圖2所示。

圖2 升壓型背光驅動電路功耗分布圖

由圖2可以看出，導通損耗占了變換器損耗的最大部分，而導通損耗是電流流過功率管(圖1中的Q和D)時產生的損耗。以Q管為例，Q管上的電壓電流波形如圖3所示。

圖3 電感電流波形圖

所以Q管的導通損耗PQcon-loss為：

由式1~2可以看出，在輸出功率Pout一定的情況下,輸入電壓與導通損耗成反比，因此選擇較高的輸入電壓可以有效降低功率開關管的導通損耗，提高變換器效率。

圖4 電感電流波形圖

實驗測試結果如圖4所示，變換器的效率隨著輸入電壓的增加而增加。最高可至93%，比5V輸入時提高8%。需要注意的是，此方案中的供電電壓必需要小于輸出電壓，當供電電壓高于輸出電壓(如使用三芯鋰電池直接供電)，可采用下面的單級Sepic變換器方案。

單級Sepic變換器方案

Sepic電路既可以實現升壓，也可以實現降壓，所以非常適用于輸入電壓變化較大的便攜式系統。同時，因為AP3031高達20V的耐壓值，使得系統可以使用一級Sepic電路直接進行背光驅動。圖5為單級Sepic背光驅動電路圖，其工作原理如圖6所示。

圖6 Sepic工作原理圖

圖6中Sepic電路工作可以分為兩個階段：a. Q1管導通階段，電流流過L1并且線性增加，C1電容通過L2放電，L2電流也線性增加；b. Q1管關斷階段，電流流過L1向C1進行充電，電流線性減小，同時L2向負載放電，電流線性減小。具體各點波形如圖7所示。

圖7 Sepic電路圖

結合各點波形對變換器中的兩個電感L1和L2寫出伏秒積平衡公式為：

由式3可以求出：

由式4可以看出Sepic電路既能升壓，又能降壓，能夠適應大范圍的輸入電壓的變化。與傳統兩級轉換(Buck to Boost)電路結構相比, Speic電路省掉一級功率轉換電路，可以顯著提高背光效率,實驗結果如圖8所示。

圖8 Sepic電路效率圖

背光電源方案的選擇

依前文所述，系統背光電源方案的選擇，主要取決于系統的供電結構：

* 對于采用5V DC供電的系統(如數碼相框等)，可以使用AP3031 Boost電路對背光進行供電。

* 對于采用雙芯鋰電池供電的系統(如便攜式DVD等)，也可以直接使用AP3031 Boost電路對背光進行供電，這樣可以減小前級Buck電路中功率器件的過流能力需求，降低器件成本。

* 對于采用三芯或三芯以上鋰電池供電的系統(如上網本等)，可以采用AP3031 Sepic電路對背光進行供電，這樣可以減少一級Buck功率變換電路，節約成本，提高系統可靠性。

本文小結

從本文可以看出，使用BCD公司的AP3031,可以設計出更高效率的LED背光驅動電源，同時還可以顯著的降低背光電源的成本。這些方案技術成熟，優勢明顯，具有廣闊的應用前景。