隨著環保意識的抬頭及日益嚴苛的節能要求，在消費型產品Notebook，Monitor 以及TV…等等的背光源應用，LED 已逐漸取代冷陰極燈管CCFL的應用。因為LED具有發光效率高耗電量少，壽命長，環保無汞，導通電壓低安全性高.. 等等優點。在照明方面，高亮度發光二極管(LED)的功效提升已經超過白熾燈，并且能夠與線性熒光燈相媲美，且LED多彩化和可以調光的特性，可為照明空間營造特殊氛圍，因而備受市場喜愛，LED取代熒光燈管已是未來的趨勢。在消費型產品面板的背光源方面，面板依產品的應用不同，面板尺寸也不一樣，不同的面板尺寸所需要的LED顆數都不相同，所以面板的背光源線路的設計會隨著LED電壓電流的大小，LED顆數的不同及LED燈條的結構，而有所不同。然而最終的目的都是希望能以最精簡的線路，最低價格，有最佳的特性。LED面板據燈條數目的不同，LED燈條電壓電流的不同，需要選擇最適當的LED 控制器應用電路，才能達到最佳的性能。面板背光源以4個燈條為比較常用的規格，所以用一顆SOP 16 包裝4通道升壓式LED 控制IC來驅動4個燈條看起來應該是不錯的解決方案，如果考慮燈條彼此LED順向導通電壓的差異，所導致的消耗功率所產生熱的問題，或者在LED顆粒損壞短路，造成燈條彼此LED兩端電壓的不同，所以有損壞的燈條所需的順向導通電壓會變低，因而會造成異常的零件溫度上升，如果希望能解決因為彼此燈條順向導通電壓不同所產生溫度的問題，SOP 8 包裝1通道升壓式LED 控制IC的設計，可以有效解決這一類的問題。本文將探討一些多通道并聯應用的特性，并介紹更易于使用、所需外部組件更少、特性更好、成本更低且具有更高效率的代替方案。

下圖是一個DC-DC 轉換器產生一個直流的輸出電壓提供給4信道LED燈條的線路應用，每一個LED燈條都連接到IC 內部MOS的Drain 端，為了降低開關本身功率的損耗，Drain端的電壓準位越小越好。LED 順向導通電壓一般為2.8V ~ 3.4V，若每條LED燈條為10顆LED串接時，每條LED燈條電壓的范圍為28V ~34V，再加上MOS Drain端對地的電壓為0.5V，所以每一個LED燈條的輸出總電壓范圍為28.5V ~34.5V，為了要讓每一個LED燈條都能夠導通，DC-DC轉換器的輸出電壓勢必要輸出一個最大電壓34.5V，才能確保每一個LED燈條都能導通，對于導通電壓只需28.5V的燈條而言，多出來的電壓為34.5V減掉28.5V，所以會有多出來的6V的電壓反應在MOS的Drain端，以100mA LED 電流來計算，就有0.6W的功率損耗反應在這顆MOS組件上，就要去處理功耗所導致熱的問題。

圖一: 4通道升壓式LED 控制IC線路架構

另外一個需要注意的是，當其中一串LED燈條中如果有LED因為老化或其他原因導致LED損壞短路的話，則該串LED燈條的LED導通電壓變低，而DC-DC 轉換器產生的直流輸出電壓因為其他LED燈條的導通電壓不變，所以有損壞的LED燈條，會在MOS的Drain端有較多的跨壓在上面。如圖二所示，2顆LED短路發生時，有2個LED順向導通電壓降的電壓反應在MOS的Drain端，就會有多余功率損耗反應在MOS組件上，導致MOS組件熱的問題。

圖二: 4通道升壓式LED 控制發生2顆LED短路的線路架構

下圖是LED電流、順向導通電壓的溫度特性曲線。LED的順向導通電壓VF跟流過LED的電流成正比，LED電流越大，LED的順向導通電壓VF就越大。LED的順向導通電壓VF跟溫度成反比，LED溫度越高，LED的順向導通電壓VF反而越小。所以以LED燈條當作輸出的背光源及照明應用，都需要考慮到此一LED的特性，特別是輸出過電壓保護的設計，因為LED燈條輸出不是一個固定電壓，所以需要特別小心，不當的設計會導致在某些條件造成無法開機的問題。

圖三、溫度特性曲線

鑒于LED多串并聯應用，須考慮到每一串LED順向導通電壓VF的分布問題，所以LD5861提供另一種選擇方案，單串LED升壓轉換器應用。單串LED應用，輸出電壓會隨著LED顆數增加，LED的總輸出電壓也會增加。LD5861是一異步電流偵測模式的升壓控制器，9V到28V寬廣的輸入電壓范圍，IC可以工作的責任周期(duty cycle)可達90%左右，可以符合LED照明應用跟LED背光應用的需求。由于是一組升壓轉換器驅動一組LED燈條輸出，所以不用考慮因為LED燈條彼此順向導通電壓的差異所造成溫度的問題，LED電流的設定為從FB腳位連接一個電阻到地，FB 電壓為0.3V±2%，若電阻為1奧姆，則LED電流范圍為294mA ~ 306mA，電流精確度高。考慮到單串高壓LED的應用，LD5861在DRV pin 產生一個14V用來驅動MOS的匝極電壓，可以有效地降低MOS的零件溫度。圖四為一單串LED升壓轉換器在照明應用不需要PWM調光的簡單應用線路，同時集合所有LED應用的保護線路在一個SOP 8的包裝里提供一個最精簡的應用線路。

圖四: 單串LED升壓轉換器沒有PWM調光的線路架構

在LED 背光的應用，需要PWM 調光來控制面板的亮度變化，圖五是單串LED升壓轉換器在背光的應用外接PWM調光的控制線路，在LED串的路徑上串接一個MOS開關組件Q2PWM控制信號除了提供給DIM Pin 當IC的控制開關外，也提供給MOS開關組件Q2的閘極當驅動信號來控制開關的導通和截止，來達到PWM調光的功能，因為PWM控制信號同時提供給LD5861 DIM 腳位來控制升壓MOS開關Q1的導通和截止，所以在MOS開關組件Q2截止時，升壓MOS開關Q1是同步截止，可以避免升壓線路發生過電壓的風險。

圖五: 單串LED升壓轉換器有PWM調光的線路架構

LD5861保護功能為LED燈串開路保護及LED 燈串短路保護，過溫度保護OTP，過電流保護OCP，輸出端回授路徑開路及輸出端過電壓保護，線路零件二極管Diode 開路及短路保護，輸出端短路與電感短路保護，集合所有LED應用的保護線路在SOP 8的包裝里，確保系統可靠性。

LED燈串開路保護:

當單串LED開路時，輸出電壓會沖高直到OVP Pin電壓達到2.5V，DRV立刻停止Switching， 所以輸出電壓會慢慢往下降，直到OVP pin電壓降至1.5V時，DRV才會試著重新啟動Switching去偵測LED燈串開路現象是否排除，如果開路現象排除，即可回復正常工作狀態。

動作流程圖及時序圖如下：

LED燈串短路保護:

(1)正常工作時LED燈串短路

當LED燈串發生數顆LED短路時，在LED短路瞬間，對應的FB pin會有突波電壓瞬間彈起。當FB pin彈起來的突波電壓超過到0.6V 時，DRV會立刻停止Switching，直到FB pin電壓降至0.4V時，DRV從新啟動Switching。

動作流程圖及時序圖如下：

(2)正常工作時LED燈串全部短路

圖六: 單串LED升壓轉換器所有LED短路的線路說明

當全部的LED發生短路時，對應FB pin電壓會迅速上升。當FB pin上的電壓上升到2.5V時， DRV立刻停止Switching，并且將DIM pin pull low，此時LED燈串上的開關Q2 MOS會不導通， 可以保護開關Q2 MOS與對地電阻不會損毀。通過DIM pin time-out (DIM=0V持續200ms 以上)，系統關閉可以解除該狀態。

動作流程圖及時序圖如下：

芯片OTP保護:

LD5861包含過溫保護線路，當芯片溫度高于150°C(典型值)時，OTP保護動作，IC進入休息狀態。當芯片溫度低于120°C(典型值)時，IC會被重新啟動。

OCP保護:

LD5861具有cycle by cycle OCP功能，當CS pin上電壓峰值達到0.5V(典型值)時， DRV占空比會被鉗制住，可以保護開關組件NMOS及防止電感L發生飽和現象。

輸出開路保護:

當正常工作輸出開路時，透過OVP實現保護，動作機制與LED燈串全部開路相同。

輸出Diode開路啟動保護:

當輸出Diode開路后啟動系統，LD5861會先偵測OVP pin電壓，當OVP pin電壓<0.2V 時，DRV 停止動作，IC處于休息模式，直到Diode接回，OVP pin電壓>0.2V，IC 便可正常工作。

動作流程圖及時序圖如下：

輸出短路/輸出電感短路/輸出Diode短路保護:

當正常工作下發生輸出短路、輸出電感短路或輸出Diode短路時，可以透過CS pin上電壓峰值大于1V(典型值)時，DRV立刻停止Switching，此時系統會被鉗制住在休息模式以避免輸出Diode或Inductor燒壞。通過DIM pin time-out (DIM=0V持續200ms以上)， 系統關閉可以解除該狀態。

動作流程圖如下:

結論

不論在LED照明應用方面或是在消費型產品Notebook，Monitor 以及TV的背光源應用方面，LED順向導通電壓VF的分布所造成熱的棘手問題，一直困擾著系統的設計工程師，在有限的空間里想要順利的解決零件熱的問題，除了增加散熱片外，LD5861 1個LED通道的應用，可以有效解決此問題，再配合完整且全面LED 系統應用保護，提供用戶另外一種選擇的LED 驅動的解決方案。

作者: 黃福源