本文針對如何選擇正確的白光LED驅(qū)動器，介紹了電感式驅(qū)動器和電荷泵驅(qū)動器、它們的局限以及如何權(quán)衡考慮。作者還討論了如何評估白光LED驅(qū)動器的典型特性，并提供了外部元器件選擇指導(dǎo)以及實(shí)際的設(shè)計(jì)范例和布局考慮。
今日的許多便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品都有顯示屏幕，例如移動電話、PDA和MP3播放機(jī)等，雖然屏幕的種類和大小通常是根據(jù)應(yīng)用決定，但設(shè)計(jì)工程師必須負(fù)責(zé)為它設(shè)計(jì)電源和背光電路。白光LED是便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品目前最常采用的背光方案選擇。
驅(qū)動白光LED的主要目標(biāo)是產(chǎn)生正向電流通過器件，這可采用恒壓源或恒流源來實(shí)現(xiàn)。圖1是成本最低的解決方案，它將白光LED串聯(lián)一個鎮(zhèn)流電阻(RB)，再于電路的兩端加上恒壓源。然而這種方法有其缺點(diǎn)，鎮(zhèn)流電阻會限制通過的電流，白光LED的非線性V-I曲線也讓這種方法的穩(wěn)流能力非常差；此外，只要外加電壓或白光LED的正向電壓(VF)有任何變動，白光LED的電流都會改變。當(dāng)額定正向電壓為3.6 V時，會有20mA電流通過圖1的白光LED，若溫度或工藝改變讓此電壓變?yōu)?.0V(仍在正常的3V至4V容差范圍內(nèi))，正向電流就會下降至14mA；換言之，正向電壓只要改變11%，正向電流就會出現(xiàn)30%的大幅度變動。這種白光LED電流的極端改變會影響顯示器亮度，這是許多應(yīng)用無法接受的。
比較理想的白光LED驅(qū)動方式是采用恒流源，它能避免白光LED正向電壓改變而造成的電流變動，即使用可控制的恒定正向電流，就能提供可控制的恒定顯示亮度。恒流源的產(chǎn)生非常簡單，控制器不需將電源輸出穩(wěn)壓，而是如圖2所示，直接針對電流感測電阻的兩端電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，此時通過白光LED的電流是由電源供應(yīng)的參考電壓值和電流感測電阻值來決定。絕大多數(shù)顯示器都需要多個白光LED，若設(shè)計(jì)人員要靈活地驅(qū)動多個白光LED，他們應(yīng)將所有白光LED串聯(lián)，確保每顆白光LED的電流都相同。若要以并聯(lián)方式推動白光LED，每個白光LED都必須串聯(lián)一個鎮(zhèn)流電阻，避免通過它們的電流出現(xiàn)差異，但是這些電阻也會浪費(fèi)功率，降低電路效率。
電感式驅(qū)動器和電荷泵驅(qū)動器的比較
所有專為驅(qū)動白光LED而設(shè)計(jì)的IC都提供恒定電流，其中絕大多數(shù)是基于電感或電荷泵的解決方案，這兩種解決方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)。電荷泵解決方案或稱為開關(guān)電容解決方案，利用分立電容將電源從輸入端傳送至輸出端，整個過程不需使用任何電感，所以是受歡迎的解決方案。電荷泵電源的體積很小，設(shè)計(jì)也很簡單，選擇元件時通常只需根據(jù)元件規(guī)格從中挑選適當(dāng)?shù)碾娙�。電荷泵解決方案的主要缺點(diǎn)是它只能提供有限的輸出電壓范圍，絕大多數(shù)電荷泵IC的轉(zhuǎn)換比率最多只能達(dá)到輸入電壓的兩倍，這表示輸出電壓不可能高于輸入電壓的兩倍，因此若想利用電荷泵驅(qū)動一個以上的白光LED，就必須采用并聯(lián)驅(qū)動的方式。利用只能對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓的電荷泵驅(qū)動多個白光LED時，必須使用鎮(zhèn)流電阻來防止電流分配不平均，但這些電阻會減少電池的壽命。
電感式解決方案體積小、效率高，適合為絕大多數(shù)消費(fèi)類產(chǎn)品提供更長的電池使用時間。本文將會證明，設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整電感式轉(zhuǎn)換器的效率，以便在體積和效率之間取得最佳平衡。由于大多數(shù)電感式解決方案都是采用升壓轉(zhuǎn)換器(圖2)，它們最多能驅(qū)動六個或七個串聯(lián)的白光LED，這種做法有其優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵S多顯示器內(nèi)置的白光LED都采用串聯(lián)模式；就算并未將白光LED內(nèi)置于顯示器屏幕中，大多數(shù)工程師還是會將它們串聯(lián)在一起。背光驅(qū)動器和白光LED通常會在不同的電路板上，因此必須將電源從一塊電路板連接至另一塊電路板。驅(qū)動五個并聯(lián)的白光LED共需使用連接器的六個管腳，驅(qū)動串聯(lián)在一起的五個白光LED只需要兩個管腳。
白光LED驅(qū)動器的特性
許多應(yīng)用的屏幕需要背光調(diào)整功能，例如PDA等產(chǎn)品的使用者就能調(diào)整屏幕亮度，以適應(yīng)周圍環(huán)境，還有許多產(chǎn)品的處理器會在系統(tǒng)閑置一段時間后，自動降低或切斷背光電源。調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)方法可分為兩種：模擬和PWM。采用模擬調(diào)光技術(shù)時，只需將白光LED的電流降至最大值的一半，就能讓屏幕亮度減少50%。這種方法的缺點(diǎn)包括：白光LED色移；需要模擬控制信號。PWM調(diào)光技術(shù)在減少的電流占空周期內(nèi)提供完整電流給白光LED，例如要將亮度減半，只需在50%的占空周期內(nèi)提供完整電流。PWM信號頻率通常會超過100Hz，以確保這個脈沖電流不會被眼睛察覺，PWM頻率的最大值需視電源的啟動和反應(yīng)時間而定；為了得到最大靈活性，同時讓整合更容易，白光LED驅(qū)動器最高應(yīng)能接受50kHz的PWM頻率。調(diào)光信號通常來自系統(tǒng)處理器的GPIO接腳。
在出現(xiàn)開路故障的情況下，恒定電流的白光LED驅(qū)動器需要過電壓保護(hù)。如上所述，白光LED和驅(qū)動器通常在不同的電路板上，因此連接器的管腳松脫就會造成開路故障，另一個可能性則是白光LED出現(xiàn)造成開路。無論是那一種情形，驅(qū)動器為了提供恒定電流，都會增加它的輸出電壓，此時若無保護(hù)電路，輸出電壓很快就會升高，對IC或輸出電容造成損害。保護(hù)驅(qū)動器的最簡單方法是選擇內(nèi)建過電壓比較器的IC，并利用此功能來限制最大輸出電壓，例如TPS61043就具備這項(xiàng)功能。齊納二極管也可用來限制最大輸出電壓，然而這種做法的效率很低，因?yàn)樵诠收锨闆r下，會有預(yù)先設(shè)定的最大電流通過齊納二極管。
白光LED驅(qū)動器電源常被忽略的一個特性就是負(fù)載切斷。在電源關(guān)掉時，負(fù)載切斷可從電氣上將白光LED與輸入源切斷。這項(xiàng)特性在兩種情形下非常重要：關(guān)機(jī)和PWM調(diào)光。如同圖2所示，就算升壓轉(zhuǎn)換器的電源被切斷，負(fù)載仍會經(jīng)由電感和逆向電壓保護(hù)二極管(catch diode)連接到輸入端。由于輸入電源仍連接至白光二極管，就算電源停止工作，依然會有很小的電流繼續(xù)通過。便攜式產(chǎn)品可能有高達(dá)95%的時間處于待機(jī)狀態(tài)，就算泄漏電流非常小，電池壽命也會大幅減少。負(fù)載切斷特性對于PWM調(diào)光也很重要，因?yàn)樵谡{(diào)光停止期間，電源雖然不供應(yīng)電流，但輸出電容卻仍連接至LED，若沒有負(fù)載切斷特性的協(xié)助，輸出電容就會通過LED繼續(xù)放電，直到調(diào)光脈沖讓電源進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。由于輸出電容在每個調(diào)光周期剛開始時都處于部分放電狀態(tài)，電源也必須在周期開始時對這些輸出電容進(jìn)行充電，使得每個周期都會出現(xiàn)涌入電流尖波，這個涌入電流不但會降低系統(tǒng)效率，還會在輸入電源線路上造成電壓瞬時變動。有了負(fù)載切斷功能，LED與電路的聯(lián)機(jī)就會切斷，當(dāng)電源供應(yīng)停止導(dǎo)通時就不會有泄漏電流，輸出電容也能在PWM調(diào)光周期之間保持滿電位狀態(tài)。負(fù)載切斷電路的最佳實(shí)現(xiàn)方法是在LED和電流感測電阻之間加入MOSFET晶體管，因?yàn)閷OSFET晶體管加在電流感測電阻和地線之間會造成額外的電壓降，此電壓還會成為輸出電流設(shè)定點(diǎn)的誤差電壓。
設(shè)計(jì)實(shí)例
這里以設(shè)計(jì)一部多功能手機(jī)屏幕的白光LED驅(qū)動器為例，電源是由輸入電壓在2.7V至4.2V之間的鋰電池供應(yīng)。手機(jī)屏幕內(nèi)置四個串聯(lián)的白光LED，每個的最大正向電流為20mA，這種設(shè)計(jì)需要20mA最大輸出電流和4×4V=16V電壓。該手機(jī)規(guī)格要求有屏幕亮度調(diào)整功能，手機(jī)在閑置一段時間后，能夠逐漸降低屏幕亮度。系統(tǒng)處理器通常是由OMAP器件，負(fù)責(zé)提供PWM調(diào)光功能所需的數(shù)字信號。電池壽命是主要考慮因素，因此效率應(yīng)盡量提高。手機(jī)屏幕大約有98%的時間處于待機(jī)模式，因此需要真正的負(fù)載切斷功能，以便延長電池的使用時間。手機(jī)受到體積限制，需要小型的集成化解決方案，TPS61043能滿足這些要求，它是電感式升壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)建功率FET晶體管，也是專為白光LED而設(shè)計(jì)的驅(qū)動IC。TPS61043還提供負(fù)載切斷、過電壓保護(hù)和PWM調(diào)光功能，1MHz開關(guān)頻率讓此IC能夠使用體積最小的外部元器件。
主要的工程挑戰(zhàn)在于選擇正確的外部元件，同時完成適當(dāng)?shù)碾娐凡季�。電流感測電阻是最容易挑選的元件，正確的電阻值是由IC參考電壓0.252V除以所要求的白光LED最大電流0.02A來決定，此處相當(dāng)于12.6Ω，接著只需選擇最接近這個值的標(biāo)準(zhǔn)電阻即可。注意電阻的功耗只有5mW，因此可選擇0402型電阻器以節(jié)省電路板面積。
選擇電感
選擇適當(dāng)?shù)碾姼胁粌H對確保設(shè)計(jì)符合效率要求很重要，也能配合有限的電路板面積。電感的選擇必需考慮三項(xiàng)參數(shù)：電感值、飽和電流和線圈阻抗(DCR)。如同所有的開關(guān)式轉(zhuǎn)換器一樣，選擇電感就是在效率和電路板面積間做出取舍，較大的電感值可提供更小的阻抗、更高的效率和更大的飽和電流額定值。較小的電感則使用較少的電路板面積，飽和電流額定值也較小，但線圈阻抗卻比較大，因此整體效率較低。
在傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電感和電容會決定轉(zhuǎn)換器的反饋回路是否穩(wěn)定，因此被選中的電感、電容和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)零件都必須經(jīng)過測試，確保電路能夠穩(wěn)定工作。TPS61043包含先進(jìn)的控制電路，無論使用多大的電感值，它都能確保電源供應(yīng)穩(wěn)定，因此不必考慮反饋補(bǔ)償?shù)膯栴}。在這個控制拓?fù)渲�，開關(guān)頻率Fs是由電感值、輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載電流所決定，其計(jì)算公式如下：
其中：
Iout是白光LED的電流 (最大值0.02 A)；
Vout是輸出電壓 (最大值16 V)；
Vin是輸入電壓 (最小值2.7 V)；
VF是逆向電壓保護(hù)二極管的正向電壓，此處假設(shè)為0.4 V
Ilim是峰值開關(guān)電流(總是0.4 A，由控制拓?fù)錄Q定)
Lout是電感值
既然體積是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，電源當(dāng)然應(yīng)使用很高的開關(guān)頻率，但由于電感式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗會受到開關(guān)頻率影響，因此頻率越高通常就代表效率越低。同樣的，較低的開關(guān)頻率可以提供較高效率。不幸的是，要如何選擇最適當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率，才能將轉(zhuǎn)換器開關(guān)損耗減至最少，這個問題目前仍沒有任何最終方程式可供求解。典型的設(shè)計(jì)步驟是選擇一個接近最大可能頻率的頻率，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器，然后重新調(diào)整開關(guān)頻率和測量工作效率，接著不斷重復(fù)整個過程，直到他們發(fā)現(xiàn)效率令人滿意為止。將開關(guān)頻率任意設(shè)為700kHz，利用公式1可計(jì)算出電感值為4.8μH，由于4.7μH是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的電感值，我們將它的電感值設(shè)為4.7μH。
無論電源或負(fù)載的狀況如何，TPS61043控制拓?fù)涠紩䦟㈦姼械姆逯惦娏髟O(shè)為400mA，因此我們將電感的飽和電流設(shè)為400mA。第三項(xiàng)參數(shù)是線圈阻抗，它會決定電感的體積，并且對設(shè)計(jì)的整體效率造成重大影響。muRata LQH32CN4R7是飽和電流為650mA的4.7μH電感，故能符合我們的要求。這個電感的線圈阻抗為150mΩ，體積則只有3.2×2.5×1.55厘米。 |
