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面向微型LED的更小驅(qū)動器——延長電池壽命并減小電路空間

作者: 時間:2007-03-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  隨著技術(shù)的進步,正變得更小、更亮且功效更高。為了讓產(chǎn)生想要的亮度,需要由驅(qū)動電路提供恒定的電流。當今大多數(shù)蜂窩電話采用微型白色LED及很小的,從而在整個彩色LCD顯示屏上產(chǎn)生精確和均勻一致的亮度。電池壽命主要由LCD的亮度決定,當電話處于通話狀態(tài)時,LCD所耗功率大約占總功率預(yù)算的1/3。LED本身和調(diào)節(jié)電流的驅(qū)動電路都會消耗功率。在微型應(yīng)用中,除了電池壽命之外,電路板的空間也是一個重要的考慮,從而使得拓撲結(jié)構(gòu)的選擇變得比以往任何時候更為重要。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/258918.htm

LED驅(qū)動器拓撲:空間因素

  在手持設(shè)備中最流行的電池是鋰離子電池,電池電壓的范圍從滿充電時的4.2V下降到放電狀態(tài)的大約3.3V。在背光應(yīng)用中,白光LED在電流為20mA時通常展示出大約3.4V的正向電壓(VF),但是,該電壓會隨著型號和溫度而變化。為了避免低電池電壓工作期間LED出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象,有必要引入升壓電路。兩種流行的升壓驅(qū)動器的架構(gòu)分別是開關(guān)電容型和電感升壓型驅(qū)動器。

  開關(guān)電容電荷泵并行地驅(qū)動LED,該電路通常需要采用4個0403型封裝的1μF的陶瓷小電容,它提供了當今最為緊湊的解決方案,并且不需要電感器。圖1所示為采用2.5×2.5mm QFN封裝的三通道電荷泵驅(qū)動器的例子,用一個外部電阻來設(shè)置LED電流。除了三個LED之外,所有需要的元器件都可以安裝在不到1平方厘米的電路板面積之內(nèi)。

  比較而言,電感升壓型LED驅(qū)動器則采用一個電感來提升電壓并以串聯(lián)方式驅(qū)動LED。這類驅(qū)動器的主要好處在于流經(jīng)LED的電流一樣,從而產(chǎn)生理想的亮度匹配;缺點在于線繞電感器的形狀大,具體大小取決于電感值和額定電流。例如,在背光應(yīng)用中,額定電流為200mA的22μH電感的高度為1~2mm,而占位面積為2×2mm~4×4mm。電感的高度越低,其表面積就越大。根據(jù)不同的LED驅(qū)動器類型,可能還需要外部肖特基二極管。假設(shè)一個封裝為SOT23的驅(qū)動器采用一個外部肖特基二極管,則除了三個LED之外,總的電路板面積還約需1.5mm2。

  比較所需要的電路板資源可見,電路板面積節(jié)省了1/3;如果把電感升壓方案替換為電荷泵方案,就可以節(jié)省更多的電路板面積。對兩種拓撲的選擇常常由LCD LED的配置來規(guī)定,這些LED要么采用串聯(lián)方式配置,要么采取并聯(lián)方式配置。具有串聯(lián)LED配置的LCD僅僅需要兩個與LED連接的端口,而并聯(lián)LED配置的LCD所需要的端口數(shù)則多達LED的數(shù)量,還要再加一個公共接點。故對于較大面板的LCD,人們寧愿采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)以將連接點的數(shù)量減到最少。


圖1:Catalyst三通道電荷泵LED驅(qū)動器外形圖。

延長電池壽命

  圖2所示為鋰離子電池電壓放電的例子。此例中,780mAh的典型手機電池被用來向工作電流為20mA的LED連續(xù)供電。電池放電時間顯示在水平軸上,結(jié)果得到的總的持續(xù)時間稍微超過9個小時。如果把這個電荷泵驅(qū)動器與基于電感的解決方案比較,所測得的電池壽命(取決于電感升壓驅(qū)動器IC)僅僅有百分之幾的微小差異。


圖2:鋰離子電池電壓放電曲線(LED VF為3.3V)。

  在電池電壓足以直接為LED直接供電的時候,電荷泵驅(qū)動器就工作在1x模式;當電池電壓下降到與LED VF接近的時候,驅(qū)動器自動轉(zhuǎn)換到1.33x電荷泵模式,此時,輸出電壓在內(nèi)部被提升到輸入電壓的1.33倍。圖2所示為驅(qū)動4個VF為3.3V、工作電流為20mA的LED時的整個電池壽命期間的電池電壓和電流工作曲線。在1x模式,輸入電流大約為80mA,在1.33x模式增加到110mA。在1x模式,輸入電流基本上等于總的LED電流(忽略1到2mA的靜態(tài)電流)。在1.33x模式,輸入電流大約為輸出電流的1.33倍;而在1.5x模式,輸入電流是輸出電流的1.5倍。在電荷泵模式中,輸入電流越大,電池消耗得越快。對于鋰電池應(yīng)用,在驅(qū)動器保持在1.33x模式且不進入1.5x模式時,電池電壓可以下降到3V。

  電荷泵LED驅(qū)動器的一個重要優(yōu)點是其能夠盡可能長時間地保持在1x模式的能力,另外還有低輸出電阻(小于1Ω)和低LED引腳電壓降(大約150mV)特性。圖2顯示了本例中向電壓為3.5V的1.33x模式的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的電壓比3.3V的VF高200mV。

LED正向電壓

  LED的關(guān)鍵特性是其VF與電流的關(guān)系。圖3所示為工作電流為20mA、VF高達3.5V的LED的電池壽命。對于這種驅(qū)動器IC,輸出電壓必須比LED VF高200mV,因此需要將1X向電荷泵模式轉(zhuǎn)換的電壓設(shè)置到大約3.7V。在電荷泵工作模式的時間越長,電池壽命就越短。在本例中,由于采用比3.3V更高的3.5V的VF,電池壽命減少半小時或總量的5%。


圖3:工作電流為20mA、VF高達3.5V的LED的電池壽命曲線。

  當從小于3.7V的電池電壓開始工作時,四模式分數(shù)電荷泵—包含一個1.33x模式開關(guān)架構(gòu)—展示了比其它LED驅(qū)動器更高的效率。與僅僅工作在1.5x模式相比,在1.33x模式工作的好處在于(在本例子中)電源電流為110mA,效率比電源電流為122mA時提高了10%。對于更高VF的LED來說,電池壽命更短。

  與2~6個LED應(yīng)用中所使用的電感升壓驅(qū)動器相比,分數(shù)電荷泵,特別是最新的四模電荷泵LED驅(qū)動器,可提供可與之媲美的效率。電荷泵的優(yōu)點在于它們的結(jié)構(gòu)緊湊、便于實現(xiàn)且具有低噪聲性能。這些功能的結(jié)合使它們成為手持設(shè)備中小型LCD屏幕背光照明的極具吸引力和頗受歡迎的解決方案。LED的正向電壓特性及其驅(qū)動器指標是選擇微型LED和驅(qū)動器IC的重要參數(shù)。

作者:Fabien Franc

產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理



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