概述:CAT4026是安森美公司生产的高性能六路恒流LED控制器,外围电路简单,是一种低成本、高效率大面板LED背光控制芯片,现已广泛用于大屏幕LED液晶彩电中。该芯片内含6通道LED恒流控制电路,并对每个LED通道电流的精确匹配和控制;设有自适应反控制电路,可大幅提高升压电路工作效率;支持PWM脉冲和模拟电压调光控制方式,并具有灯串开路保护(OCA )、灯串局部短路保护(SCA)、热关断保护(150℃)等功能。该IC的内部框图如图1所示,引脚功能见表1。该方案电路多用于大屏幕液晶彩电中,下面以长虹3D50B4500i智能液晶彩电为例,对其LED驱动电路进行分析。该型彩电采用HSM40D-4MC型超薄二合一电源板,即将待机电源、功率因数校正电路和LED驱动电路安装在一块印制板上。待机电源输出12.3V电压,供给信号板及背光驱动的前级电路。
该机的LED背光驱动电路主要由集成块U501(NCP1251) 、 U701(CAT4026)及外围元件组成,U501及外部元器件组成40V电压形成电路(该部分电路称为主电源),仅给LED灯串供电。此40V电压为LED驱动电路未工作时所有,在LED驱动电路正常工作后,40V电压会升到约120V。
一、CAT4026引脚功能
二、40V电压形成电路
40V电压形成电路主要由U501、T501及外围元器件构成。开机后,功率因数校正电路输出的PFC电压经开关变压器T501的⑥一③绕组加到Q501的漏极,VCC2电压经C502、C503退藕滤波后加到U501的⑤脚,40V电压形成电路进入工作状态,从⑥脚输出驱动脉冲,经Q502、Q503组成的推挽电路放大后,加到Q501的栅极,电路如图2所示。
1、启动控制
当U501的⑥脚输出高电平时,该信号经R505加到Q502 (NPN )和Q503 (PNP)的基极,Q503截止,Q502导通。VCC2电压经R510、Q502、R506加到Q501的栅极,Q501导通。PFC电压经T501的⑥一③绕组、Q501、R502到地。由于流过电感线圈的电流不能突变,因此流过变压器T501绕组的电流呈线性从零逐步增大。当线圈中流过电流时,就一定会产生磁场,因此把电能转变成磁能,储存在开关变压器T501中,此时初级绕组的感应电动势为⑥脚正③脚负。
当U501输出低电平时,该信号经R505加到Q502 (NPN)和Q503(PNP)的基极,Q502截止,Q503导通。Q501栅极的电荷经R506、Q503 、R502到地,Q501截止。PFC电压经T501的⑥-③绕组、Q501、R502到地的电流回路被切断。由于流过电感线圈的电流不能突变,因此流过变压器T501的⑥-③绕组的电压方向瞬间反向,感应电动势为⑥脚负③脚正,产生尖峰脉冲电压,叠加上电源输入的稳定400V直流电压,会造成约800V左右的尖峰电压。此时,二极管D501导通,尖峰电压经R501和C501馈入400V直流电源,迅速降低尖峰脉冲电压,有效避免功率管Q501因尖峰电压过高而损坏。
当有交变的电流流过开关变压器T501的⑥-③绕组时,变压器的次级绕组均会按线圈比例产生感应电压。T501次级⑦-12绕组产生的感应脉冲经DD601、D602整流,C601、C602、C603和L402滤波后,形成40V的直流电压,为LED驱动电路预供电。待LED驱动电路正常工作后,电压上升到120V左右。采用此种控制方法的好处是:当LED驱动电路未工作时,输出的电压低,不会使LED过流而损坏,同时也可以避免开机瞬间冲击电流对LED的影响。
提示:NCP1251是一个高度集成的峰值电流模式控制器,采用低功耗反激方式,内部工作频率为65kHz-100kHz。当负载功率下降时,控制器进入突发模式,开关频率降低为26kHz;如果负载继续降低,则控制器进入自动跳频工作模式,这样尽可能减小功耗,并保持较高的工作效率。
2、稳压控制
当LED驱动电路没有工作或输入电压升高时,40V也跟着升高,通过R607 、 R608和R609分压后的电压也跟着升高,加到IC601控制端的电压也就升高。IC601输入的电流增大,流过光藕 N501内部的发光二极管电流也跟着增大。发光二极管发光强度增加,光藕N501内部的光敏三极管等效电阻降低。从U501的FB端子(②脚)流出的电流增大,FB端子电压下降,经集成块内部电路处理后,使U501的⑥脚输出的PWM脉冲占空比减小,开关管Q501的导通时间减少。开关变压器T501的储能时间减少,放电时间增加,次级整流输出的40V电压也跟着降低。当输出的40V电压过低时,稳压过程与上述过程相反。C605和R606组成消谐振电路,防止IC601进入谐振状态,避免稳压环路失控。
当LED驱动电路没有工作时,由于负载需求功率小,D601、D602整流,C601、 C602、 C603和L402滤波后形成的电荷泄放很慢,电压保持在固定值的时间较长。经稳压环路控制后,使U501的FB输入端②脚的电位逐渐下降,当②脚电压下降到1.5V时,内部振荡频率开始降低,电源进入跳周期工作状态,当②脚电压进一步降低到低于0.8V时,振荡频率降低到最低的工作频率26kHz。此时,40V电压逐渐降低,经控制环路控制后,U501②脚的电位逐渐上升,U501开始工作,40V电压上升,40V电压上升后,又使U501进入跳周期模式的截止状态。从而使电源在待机或待机电路空载时,降低了电源功耗。
三、LED驱动开/关控制电路
LED驱动开/关控制电路较为简单,主要由主板发出的开/关控制信号BL -ON和Q711、 Q708 、Q709 、 IC701和U701(CAT4026)的①脚组成,如图3所示,Q709 、 IC701及外围元器件组成5V稳压电路,使U701的供电稳定。通电后,待机电源输出12.3V电压,通过R730、K729加到Q711的发射极,此时由于Q708截止,Q711也处于截止状态,无+5V电压输出。
二次开机后,LED驱动开/关控制信号BL-ON由低电平变为高电平,从CON404的⑧脚送入,经R722和R723分压后,加到Q708的控制极,Q708饱和导通,相当于把R733一端接地。此时,Q711的基极电流经R733到地,Q711饱和导通,集电极输出12V电压,加到Q709的集电极。
同时,Q711集电极输出12V电压也通过R724加到Q709的基极,Q709导通,发射极输出电压。该电压一路经R726和R732分压后,加到IC701的参考控制端R极,则IC701的K极(阴极)有电流流入,将Q709基极的电压拉低,使Q709的发射极输出稳定的5V电压,加到U701的①脚,为 U701供电。
四、LED控制电路
1、稳流控制
白光LED的正向压降典型值是3.5V,但实际情况是部分白光LED在正向压降为2.79V时就导通,部分在2.99V时才开始导通,正向导通压降的偏差较大,这给电路设计带来一定的困难。同时,流过LED灯串的电流过大或过小,还会引起发光颜色的变化。本电路采用恒流驱动方式,并进行稳流控制,让流过LED灯管的电流相等,而不管LED的具体导通电压,从而使LED灯串上每一只灯的发光亮度基本相等。
因LED对电流要求严格,故本电路的稳流取样采取检测LED灯串负极输出电流大小的方法。D603、D604、D605和D606组成四输入与门电路,负端分别接双极性三极管0701、Q702、Q703、Q704的集电只要任何一个双极性三极管的集电极电位比设定的VCS电位低0.6V以上,相连接的二极管就会导通,从而拉低26脚的VCS电压,相关电路如图4所示。
当调整管Q701因基极电位为高电平导通时,40V电压经插座CON707的①、②脚送给屏内部LED灯串的阳极,其中一路LED灯串阴极的电流→CON707的④脚→Q701的集电极→Q701的发射极→限流电阻R701、R702→地。另外三路灯串的电流方向与此类似,这里不再赘述。
电流流过LED灯串,LED灯串发光,U701的26脚电压经R720、D603、Q701、R701 /R702到地,在26脚上形成电流取样信号。当流过LED灯串的电流增大时,Q701的集电极电压必定随着升高,那么26脚输出的电流检测信号也会跟着增加,该信号和11脚输入的LED阳极检测信号检测比较后,送入内部电流检测电路,再与基准电压进行比较,输出控制信号控制灌流电路,使U701的16脚输入的灌流电流减小,对稳压取样电路(R607 、 R608、R609)的分流电流减小,IC601控制脚的电压上升,流过N601内部的电流减少,N601内部的发光二极管发光强度减少,经稳压电路处理后,使T501储能的时间减少,40V输出的电压降低(实际测试,接不同的背光板,此时40V电压应在110V~125V左右)。加在LED背光板上LED灯串阳极上的电压降低,流过LED灯串的电流下降,Q701的发射极电压降低,Q701的集电极的电压也跟着降低,U701的26脚输出的电流检测信号也会跟着降低。
当流过LED灯串的电流减小时,电流稳定过程与上述过程相反。通过上述稳流过程,实现LED灯串的稳流控制。
2、LED灯串恒流控制
由于单只LED的正向压降有所区别,串联后接入电路,灯管需要的电压相差就比较大,即四组LED灯串中,有一串的LED需要的电压最高。稳流电路采用四只二极管构成与门电路,那么,当四路电路中其中一路压降最大时,相应灯串流过的电流就会是最小的,通过与门电路后,加到U701 26脚的电压就会与电流最小的那路LED灯串匹配,40V稳流电路就满足LED灯串压降最大的驱动要求。
为保证每路LED灯串电流都不超标,故设有均流与恒流控制电路,如图5所示。为便于分析,假设接Q701支路的LED灯串一压降最大,接Q702、 Q703的LED灯串次之,接Q704的LED灯串四压降最小。现只分析最大压降和最小压降的LED灯串,其他两组LED灯串不作分析。当40V稳流电路输出的电流满足压降最大的LED灯串时,那么其他三路的电流必然超标,造成LED过流。
当U701在PWM信号的控制下,从⑥脚输出高电平的驱动信号时,该信号经R709加到Q701的基极,Q701导通,40V电压经LED灯串一、Q701和R701 /R702到地。LED灯串一内部有电流流过,电阻R701和 R702两端有电流流过,在R701和R702两端产生压降,形成电流检测信号,送入U701的⑦脚一比较器负端输入,使⑥脚输出的驱动信号减弱。从电路来看,这是一个典型的负反馈电路,稳定⑥脚输出的信号,使Q701的导通强度稳定,从而使流过LED灯串一的电流恒定在设计要求上。
同时,从25脚输出的高电平驱动信号经R711加到Q704的基极,Q704导通,40V电压经LED灯串四、Q704和R707/R708到地。LED灯串四内部有电流流过。由于LED灯串四的压降低子LED灯串一的压降,而加到LED灯串阳极的电压固定,那么,LED灯串四流过的电流大于流过LED灯串一的电流。因此,流过R707和R708两端的电流比流过R701和R702两端的电流大,反馈输入到U701的24脚一比较器负端输入电流检测信号比反馈到U701的电流反馈信号高,25脚输出的信号会低于⑥脚输出信号,Q704的导通强度低于Q701、 Q704的等效电阻大于Q701的等效电阻,这样,使流过Q704的电流减小,最终使流过LED灯串四的电流恒定在设计要求上。
通过U701内部电路、Q701、Q702、Q703、Q704及外围元器件,LED驱动电路实现了对每路LED灯串的恒流控制,从而使电视机屏幕亮度均匀。
3、调光控制
主板送来的调光控制信号经插座CON404的⑨脚输入,经R721限流后,直接送入U701的②脚(PwM信号输入端)。
当DIM信号为高电平时,送入②脚的信号也为高电平,打开错误检测器,使26脚输入的电流检测经电流检测电路送入错误检测电路,去控制六路均衡恒流控制器。同时,该信号还使电流检测器输出的信号送入电流比较器,通过电压/电流转换后,从16脚灌流输入,控制IC601的控制极电平,使40V电压满足最大压降LED灯串的驱动电流,LED背光板正常发光。
当DIM信号为低电平时,送入②脚的信号也为低电平,该信号关闭错误检测电路,使电流检测电路关闭输出,六路均衡恒流控制器不工作,电流通路被切断,LED背光板中因无电流通过而不发光。同时,该信号还切断电流检测器输出,使16脚无灌流信号输入,对40V形成电路的稳压控制电路无影响,保证LED背光板在不工作期间,40V电压不会因电流通路断开而异常升高,使LED灯管在下一次工作来临前,启动电流稳定功能。
由于DIM信号频率在100Hz~800Hz之间,远高于人眼的视觉暂停频率,所以人眼看不见LED闪烁,只会看见LED灯的亮度发生变化。改变DIM信号脉冲的占空比,就改变了单位时间内LED的点亮时间,从而实现背光亮度控制的目的。
五、保护电路
保护电路主要由过压保护电路、LED背光开路保护电路、LED灯串局部短路保护电路及过热保护电路组成,如图6所示。
1、过热保护
过热保护电路主要是限制集成电路总功率耗散。/当集成电路内部温度达到150℃时,集成电路内部保护电路动作,关闭六路均衡恒流电路,断开LED背光板,从而进入保护状态。
2、过压/LED背光开路保护
在LED背光板其中一组灯串开路时,26脚的VCS电压会很低,导致16脚(IFB)灌入的电流大增,使IC601的控制脚电位被拉低到设计值以下,40V输出电压上升。此时不加以保护,就会导致流过剩下LED灯串的电流大增,造成损坏LED灯管。
其他原因造成40V输出电压异常过高时,流过LED灯管的电流大增,超过六路均衡恒流控制电路的闭值,使LED灯管流过的电流超过设计值。此时不加以保护,超过的额定电压会造成升压电路、其输出电容或线性驱动器损坏,同时损坏LED灯管。
40V输出电压异常过高后,经检测电阻R713 (200kΩ) 、 R714 (150kΩ)和R715 (2.4kΩ)分压的检测信号升高,加到U701的⑩脚(OCA )电压也跟着升高,当40V电压超过147V (U701的⑩脚电压超过1V)时,内部比较器翻转,输出过流保护信号使错误检测信号动作,LED背光板电流通路被切断,不影响40V形成电路电压。
同时,从19脚输入灌流保护信号FLT-OCA,使Q710导通,输出信号分两路,一路经R728加到U701的⑩脚,使⑩脚锁定为高电平,避免保护时,40V电压降低造成⑩脚的电压低于1V而解除保护状态;另一路信号经D710隔离后输出LED OVP信号,经R41限流后,加到Q305的基极,Q305导通。VCC电压经R308、N303、D710和D210限流以后,会分别加到U301(待机电源控制芯片NCP1251)及U501的③脚,使待机电压形成电路和40V电压形成电路进入保护工作状态,40V电压无输出,待机电压无输出。
3、LED灯串局部短路保护
当LED灯串中的部分LED灯管短路时,那么,流过该路LED灯串的电流就会增加,加到恒流电路上的电流就会变大,经恒流电路处理后,反应到对应的恒流驱动电路上的电压就会升高。当超过6路均衡恒流电路的控制范围时,流过该路LED灯串的电流不再恒定,此时不加以保护,则会损坏更多的LED灯管和电路器件。
正常工作的时候,Q701、 Q702、Q703、Q704的集电极电压是约3V、对应的二极管(D711、D712、D713、D714)导通。输出的高电平信号加到稳压管D709的负极,由于D709和D705串联稳压的电压是6.8V,所以,无电压加到Q707.的集电极;同时,稳压后的5V电压经R717直接加在Q707的基极,印07无电压输出。
当LED灯串局部短路后,对应的恒流驱动电路的电压升高,当电压超过6.8V后,稳压管齐纳击穿,高于6.8V的电压加到Q707的集电极。此时,Q707的基极高电平不变,Q707导通,发射极输出的高电平信号经C704滤波,R719限流后加到U701的27脚—SCA检测信号输入端。
内部短路检测电路检测到上述情况后,输出短路保护信号使错误检测信号动作,LED背光板电流通路被切断,不影响40V形成电路电压。同时,从17脚输入灌流保护信号FLT- SCA,使Q710导通,输出信号分两路,一路经R728加到U701的⑩脚,使⑩脚锁定为高电平,避免保护时,40V电压降低造成⑩脚的电压低于1V而解除保护状态;另一路信号经D710隔离后输出LED OVP信号,经R41限流后,加到Q305的基极TQ305导通。VCC电压经R308、N303、D710和D210限流后,分别加到U301及U501的③脚,使待机电压形成电路和40V电压形成电路进入保护工作状态,40V电压无输出,待机电压12.3V无输出。
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