線性匹配獨(dú)立電流源與傳統(tǒng)白光LED 驅(qū)動器解決方案之間的對比

1 背景

早期的手機(jī)均具有較便宜的彩色發(fā)光二極管 (LED)，用于鍵盤照明和黑白液晶顯示(LCD) 背光照明。在世紀(jì)之交，LED 技術(shù)的進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了手機(jī)鍵盤的藍(lán)白光 LED 照明。白光 LED (WLED) 只不過就是帶有特殊涂層的藍(lán)光 LED，從而產(chǎn)生白色光波長。由于 WLED 可以在 LCD 顯示器上發(fā)射全色光譜，所以 WLED 現(xiàn)在為手機(jī)中主要的照明顏色。除了全色 LCD 背光照明以外，WLED 還可用于鍵盤、軌跡球及控制按鈕照明、相機(jī)快閃和閃光燈。

第一代 WLED 需要更高的正向電壓 (>4.2V) 和電流 (>20mA) 來實(shí)現(xiàn)手機(jī)應(yīng)用所需的發(fā)光度或亮度。這些電壓一般都高于電池電源，并且需要有驅(qū)動器IC對LED電源電壓進(jìn)行升壓。由于 WLED 所需的電流很高，所以它們通常消耗了移動手持終端中大部分的電池電量。為了降低功耗并延長電池使用壽命，WLED 工藝技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)成本的降低帶來了更為便宜的 WLED，這種 WLED 只需更少的電流就可產(chǎn)生所需的發(fā)光度。在電流更低（10mA）的情況下，可以以更低的正向電壓來實(shí)現(xiàn)這些 WLED。

2 TPS7510x：一款線性匹配獨(dú)立電流源

與傳統(tǒng)的固定模式和混合模式充電泵和電感升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，TPS7510x 的 LDO 線性調(diào)節(jié)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖 1 所示）具有更多優(yōu)點(diǎn)。對于大多數(shù)應(yīng)用而言，TPS7510x 是一款上述解決方案的高效替代解決方案。由于減少或省去了許多外部部件，與其它任何替代解決方案相比，TPS7510x 實(shí)現(xiàn)了更多的成本節(jié)約。這不但減少了材料清單成本，而且還降低了放置更多組件所需的額外生產(chǎn)成本。

圖 1 線性匹配電流源 (TPS7510x)

組件數(shù)量減少的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)解決方案尺寸的縮小。由于 TPS7510x 并不需要外部組件，因此整套解決方案的尺寸剛好降至 IC 尺寸的大小，對于采用 WCSP 封裝的 IC 尺寸而言為 1.44mm2。TPS7510x 的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是近乎所有的輸入電流（99%）將用于驅(qū)動 LED；電流不會在充電泵電容器或升壓電感器上發(fā)生損耗。這一節(jié)能架構(gòu)使電池放電壽命的平均效率提高了 87% 以上。對于一個(gè)額定電壓為 3.6V 的電池而言，該解決方案的效率一般都高于 99%。

LDO 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的一個(gè)缺點(diǎn)就是 LED 的正向電壓局限于輸入電壓與壓降之差（一般為 30mV，最大值為 100mV）。由于現(xiàn)在有許多白光 LED 可供選擇，手機(jī)解決方案中使用的 LED 電流電平 (3mA–10mA) 產(chǎn)生的正向電壓一般為 3V 或更低，因此這一局限性不再是這一解決方案的一個(gè)主要缺點(diǎn)。另外一個(gè)被充分證明的缺點(diǎn)就是線性解決方案的局限性，線性解決方案只能應(yīng)用于并聯(lián) LED 結(jié)構(gòu)。串聯(lián)結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)單節(jié)鋰離子電池應(yīng)用對正向電壓提出太高的要求。因此，TPS7510x 解決方案只能用于并聯(lián) LED 結(jié)構(gòu)。

3 固定升壓充電泵

對于使用一個(gè)固定升壓充電泵（見圖 2）的應(yīng)用而言，其輸出將被升壓至一個(gè)固定電壓，同時(shí) LED 電流經(jīng)過調(diào)節(jié)流過每一個(gè)電阻器。由于充電泵器件較低的成本，這種方法的成本相對較低，但是 LED 電流匹配和效率可能會很低（電池放電的平均效率為 43%）。充電泵一個(gè)比較重要的優(yōu)點(diǎn)在于其降低了 LED 正向電壓對電源電壓（數(shù)伏電源軌以內(nèi)）的依賴程度。盡管充電泵能產(chǎn)生足夠高的電壓來驅(qū)動串聯(lián)的多個(gè) LED，但是其效率非常低且成本高昂，因此這一解決方案一般只限用于并聯(lián) LED 結(jié)構(gòu)。

圖 2 固定升壓充電泵 (REG710)

在此類型的應(yīng)用中，TPS7510x 不但實(shí)現(xiàn)了效率提升，而且還通過減少整體部件的數(shù)量實(shí)現(xiàn)了成本節(jié)約，但是卻局限于低于電源電壓的正向電壓。

4 混合模式充電泵

對于使用一個(gè)混合模式充電泵（如圖 3 所示）的應(yīng)用而言，其輸出電壓經(jīng)過調(diào)節(jié)，使每一個(gè) LED 上流過一個(gè)恒定電流。由于這一類型解決方案所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些 IC 的 LED 電流源能實(shí)現(xiàn)很好的匹配。但是由于正向電壓的不匹配，實(shí)際的匹配程度會有所降低。這些電路的效率非常高（電池放電時(shí)平均效率為 70%），并且允許正向電壓高于輸入電壓。

圖 3 混合模式充電泵 (TPS60231)

在這些應(yīng)用中，TPS7510x 在成本和效率方面有了極大的改善。充電泵電路一般都需要配置一個(gè)或兩個(gè)開關(guān)電容器，以及用于保持穩(wěn)定性的輸入和輸出電容器。正如前面所述，TPS7510x 減少了組件數(shù)量，從而減小了解決方案的尺寸，同時(shí)降低了成本。相對于混合模式充電泵解決方案，線性解決方案的劣勢在于 LED 正向電壓（凈空電壓）的局限性。然而，混合模式充電泵解決方案可以和相同 LED 電壓很好地匹配；無論 LED 正向電壓如何變化，TPS7510x 都可實(shí)現(xiàn)完美匹配。

5 電感升壓

對于使用（大部分情況下用于驅(qū)動一個(gè)串聯(lián) LED 串）一個(gè)電感升壓轉(zhuǎn)換器（如圖 4 所示）的應(yīng)用而言，流經(jīng) LED 串上每一個(gè) LED 的電流為同等大小（理想電流匹配）。在使用充電泵解決方案的情況下，可以使用正向電壓高于電源電壓的 LED。在僅有一個(gè) LED 驅(qū)動線路可選用的應(yīng)用中（如翻蓋手機(jī)的背光照明 LCD 模塊），電感升壓轉(zhuǎn)換器一般（有時(shí)為唯一可選）為最佳解決方案。

圖 4 電感升壓 (TPS61061)

在由電感開關(guān)引起電磁干擾 (EMI) 的其他應(yīng)用中會出問題，線性 TPS7510x 就是一款高效且噪聲極低的解決方案。另外，通過除去電感、輸出電容器或反饋電阻器實(shí)現(xiàn)的成本節(jié)省更具現(xiàn)實(shí)意義。

隨著白光 LED 在移動手持終端更廣范圍內(nèi)的應(yīng)用，驅(qū)動這些 LED 不會再僅僅局限于一款高電壓、高電流解決方案。如今，這些解決方案不僅隨著這些器件應(yīng)用的增長而增長，而且還隨著這些應(yīng)用而不斷演變。最近問世的更高亮度和更高效率的 LED 可以通過更低的電流來驅(qū)動，這也開創(chuàng)了使用線性電流源的新型解決方案。該解決方案實(shí)現(xiàn)了最低的成本、最少的組件數(shù)量以及最小的外形尺寸，是移動手持終端應(yīng)用的理想選擇。

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