ROHM最新LED背光灯用驱动器技术

2013年12月19日

<前言>
LED光源已在众多汽车应用中迅速普及。ROHM凭借高效的LED光源驱动技术,打造了用于尾灯、背光灯以及前照灯的LED驱动器等丰富的产品阵容。在此,将为您介绍用于背光灯的LED驱动器。

<车载背光灯用LED驱动器的开发>
近年来,在车载用显示器领域,为满足有害物质限制要求,使用水银的CCFL背光灯正在被LED背光灯迅速取代。另外,仪表盘、汽车导航、音响显示、后座娱乐等各种车载用显示器正朝多样化、大型化方向发展。在这种趋势下,对于增加LED灯数量以及高亮度、高调光率的要求日益高涨。ROHM为满足LED灯数量增加的这种发展趋势需求,将实现高耐压的升降压DC/DC转换器、可多灯驱动小功率LED且实现了高调光率的电流驱动器电路内置于一枚芯片,扩充了LED驱动器产品阵容。
接下来介绍ROHM开发的背光灯用LED驱动器BD81A34EFV-M。
BD81A34EFV-M大致由DC/DC转换器部、电流驱动器部、保护电路部三个功能块组成(图1)。

BD81A34EFV-M的框图
[图1] BD81A34EFV-M的框图

作为背光灯的驱动,首先是由DC/DC转换器,生成一定的电压。将DC/DC转换器的输出连接到面板的LED阳极侧,由LED的阴极侧向LED驱动器灌入恒定电流,使LED发光。为支持小功率的多灯LED驱动,LED的通道数(可连接的列数)设计为4。
通过控制DC/DC转换器的开关占空比,使输出达到高于LED阳极引脚的电平,其中包含了链接于电流驱动器的LED段数部分,也就是由LED产生的VF,通过LED驱动器的误差放大器进行反馈控制,使连接于IC的LED阴极引脚(LED1~4引脚)为1.0V。通过上述控制,电流驱动器部即可保持LED电流恒定。作为面板的亮度调整之用,输出的电流具有PWM-dimming(PWM调光)功能。LED电流的占空比可与外部的PWM信号输入同步变化。不仅如此,BD81A34EFV-M还搭载LED开路与短路故障保护、LED接地故障保护、DC/DC转换器输出过流与过压保护功能,完善的保护电路非常有助于提高面板的可靠性。
上面介绍了DC/DC转换器电路、电流驱动器电路,接下来按顺序介绍ROHM的车载LED驱动器的特点---防闪烁电路。

<升降压DC/DC转换器>
面对车载特有的电池电压波动和多样化的LED灯数,以升压方式和降压方式很难进行LED的闪烁控制与平台设计,要满足市场所要求的高可靠性与缩短开发周期之间的平衡实属不易。因此,为了不依赖电池电压、可以始终稳定供给DC/DC转换器输出电压,ROHM采用了一种称为"REGSPIC结构"的独有升降压方式。下面介绍REGSPIC结构与一般的升降压方式所用的SEPIC结构相比所具有两个优点。

① 减少外置部件
图2表示SEPIC与REGSPIC的电路构成。由图2可见,REGSPIC结构中,面积占有率最高的线圈较少,可实现小型化和低成本化。另外,减少了电感,还可提高由线圈损耗部分相应的效率。

SEPIC和REGSPIC的电路构成
[图2] SEPIC和REGSPIC的电路构成

② 实现高可靠性
图2的SEPIC结构中,C1对于输出电压像电荷泵一样工作,因此,Q1需要达到DC/DC转换器输出电压 (VOUT)+电池电压的耐压水平。另一方面,REGSPIC结构中,由于耐压达到DC/DC转换器输出电压和电池电压二者较高一方以上即可,因此,REGSPIC结构由低耐压部件组成,更容易控制。
另外,Q2不仅用于升降压控制,还可作为LED阳极和二极管等外置部件接地短路时切断与电池间通路的开关使用,因此,发生异常时可保护外置部件,有助于实现更高可靠性。而SEPIC结构中,为切断与电池间的通路,将Q3仅作为开关使用。

<高调光率的电流驱动器>
为满足车载面板向高亮度化方向发展的趋势需求,ROHM已完成了高调光率LED驱动器BD81A34EFV-M的技术开发。下面针对面板的高亮度化为何需要更高的调光率进行说明。面板亮度虽然可以更高,但所要求的最低亮度水平几乎不变。考虑到输出在暗处等人眼不觉疲劳的低亮度的情况,如果最高亮度(调光率100%)低一些,即使低调光率也可输出低亮度,但近年来,面板规格一般最高亮度都非常高,因此,低亮度输出时需要具备高调光率。
BD81A34EFV-M为了实现高调光率,利用ROHM独有的技术提高了电流驱动器输出LED的响应性能。根据外部PWM输入占空比对LED电流进行开关控制。此时,在PWM信号低电平时关断电流驱动器电路,在高电平时导通电流驱动器电路,根据ON/OFF区间的时间比调整LED电流。输入PWM与输出电流完全同步并时序一致是理想的结果,只要能实现这一点,即可实现高亮度。而实际上,从输入PWM信号到电流输出会产生电路延迟,由于该延迟,使得无法生成该时间宽度以内的脉冲。
电流驱动器电路中搭载了电流控制用放大器,但按以往的PWM调光方式,在电流驱动器电路OFF→ON时点,作为该内部放大器的启动时间会产生数μs 指令的电路延迟。随着市场对调光率的要求越来越高,该电路延迟已无法忽视。因此,ROHM搭载的PWM调光电路,使放大器的启动时间降到最低,从而实现了更高调光率。
具体如图3所示,电流驱动放大器拥有LED电流输出用的反馈电路和另一条反馈电路。

电流驱动放大器的反馈电路
[图3] 电流驱动放大器的反馈电路

这两条反馈通路由各SW进行切换。在PWM=High(LED为ON)区间,驱动LED电流输出用的反馈电路(图3反馈电路1),由LED引脚灌入LED电流。在PWM=Low(LED为OFF)区间,驱动另一条反馈电路(图3反馈电路2),由内部恒定电压VREG产生电流。通过进行这样的控制,LED电流虽然是关断的,但电流驱动放大器始终处于驱动状态,PWM=Low→High时可平稳生成LED电流。由于反馈通路2的电流I2已设定为数μA,因此,本电路结构的功耗增加量已达到可以忽视的水平。
图4为LED电流在有无与输出不同的反馈通路时对PWM信号的跟随性如何变化的比较数据。

有无与输出不同的反馈电路的LED电流跟随性比较
[图4] 有无与输出不同的反馈电路的LED电流跟随性比较

在没有另外的反馈通路时,从PWM=OFF→ON时点开始,到生成LED电流会产生约10μs的延迟时间。与此相比,在有另外的反馈通路时,几乎没有延迟时间,可跟随到最小达1μs的PWM脉冲宽度。假设PWM频率为100Hz,那么如果是1μs的脉冲宽度,则可实现10000:1的调光率。综上所述,BD81A34EFV-M实现了高调光率,非常有助于面板的高亮度化。

<防止LED闪烁的DC/DC转换器输出电压放电电路>
将DC/DC转换器输出作为LED阳极控制LED时的问题在于,从DC/DC转换器的OFF状态再启动时会出现LED闪烁现象。
当因向LED驱动器输入启动OFF信号以及异常检测时的保护动作等而关断DC/DC转换器的开关输出时,输出电容里会有残存电荷。残存电荷通过DC/DC转换器输出电压反馈用的电阻分压电路(图5 ROVP1、ROVP2)进行放电。但是,放电时间达数秒之长,因此,必须考虑到在这种电荷残留状态下再启动的情况。在这种情况下,残留电荷通过LED元件进行放电,之后进行正常的启动控制。这种瞬间放电表现为LED的闪烁。

防LED闪变电路
[图5] 防LED闪变电路

传统上,为防止这种闪烁,一般选择以下两种方法之一。第一种方法是如图5-1所示,给DC/DC转换器输出追加外置开关元件,在电路OFF时强制放电。这种方法可以避免再启动时的闪烁,但需要增加开关元件和限流电阻等,部件数量会增多。
第二种方法是如图5-2所示,降低过压保护用电阻值。降低电阻分压电路的电阻值,促进残留电荷的放电。这种方法的问题是正常工作时的功耗会增加。
因此,BD81A34EFV-M如图5-3所示,在IC中内置了防闪烁用输出放电电路。该电路使输出电荷的放电仅需数ms指令即可完成。而且,还不会增加外置部件数量和功耗。例如,在BD81A34EFV-M的外置部件推荐值Cout=20uF、ROVP1=360kΩ、ROVP2=30kΩ的条件下,设DC/DC转换器输出电压(Vout)为30V时,

无输出放电电路:放电时间=约7.8s
有输出放电电路:放电时间=约1.5ms

可大幅缩短放电时间,并可防止因此导致的LED闪烁。

<未来展望>
未来,高性能化会进一步发展,对此,ROHM会继续推进内置通信功能、多通道LED驱动器的开发。通过内置通信功能,不同的型号可通过通信设定不同的LED电流、电压、保护功能等,每种型号无需创建驱动电路,可推进平台化发展。不仅如此,通过搭载Diagnostic(诊断)功能,实时监测LED电流及异常状态等并反馈到微控制器侧成为可能,可实施适合不同情况的控制,提升设备的安全性能。另外,通过多通道化,使驱动各种灯类(DRL、转向灯、位置灯等) 的驱动电路可集成于1枚IC,从而可灵活应对所需的通道数。ROHM将会继续开发满足客户需求的高性能IC,不断开发有助于汽车节能与高性能的IC。

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