LED驅(qū)動器探討

如今，眾多的便攜電子產(chǎn)品均需要背景燈LED驅(qū)動器解決方案，其具有以下特性：直流控制、高效率、PWM調(diào)光、過壓保護(hù)、負(fù)載斷開、小型尺寸以及簡便易用。本文將探討每種特性以及實(shí)現(xiàn)這些特性的方法，最后將說明具備每種特性的典型電路。

直流控制

LED是由電流驅(qū)動的器件，其亮度與正向電流呈比例關(guān)系。有兩種方法可以控制正向電流。第一種方法是采用LED V-I曲線來確定產(chǎn)生預(yù)期正向電流所需要向LED施加的電壓。其實(shí)現(xiàn)方法一般采用一個電壓電源和一個鎮(zhèn)流電阻器。圖1說明了這種方法。如下所述，此方法有多項(xiàng)不足之處。LED正向電壓的任何變化都會導(dǎo)致LED電流的變化。如果額定正向電壓為3.6V，則圖1中LED的電流為20mA。如果電壓變?yōu)?.0V，這是溫度或制造變化引起的特定壓變，那么正向電流則降低到14mA。正向電壓變化11％會導(dǎo)致更大的正向電流變化，達(dá)30％。另外，根據(jù)可用的輸入電壓，鎮(zhèn)流電阻的壓降和功耗會浪費(fèi)功率和降低電池使用壽命。

圖1：帶鎮(zhèn)流電阻的電壓電源導(dǎo)致效率降低和正向電流失配

第二種方法、也是首選的LED電流調(diào)整方法是利用恒流電源來驅(qū)動LED。恒流電源可消除正向電壓變化所導(dǎo)致的電流變化。 因此可產(chǎn)生恒定的LED亮度，無論正向電流如何變化。產(chǎn)生恒流電源很容易。只需要調(diào)整通過電流檢測電阻器的電壓，而不用調(diào)整電源的輸出電壓。圖2說明了這種方法。電源參考電壓和電流檢測電阻器值決定了LED電流。在驅(qū)動多個LED時，只需把它們串聯(lián)就可以在每個LED中實(shí)現(xiàn)恒定電流。驅(qū)動并聯(lián)LED需要在每個LED串中放置一個鎮(zhèn)流電阻，這會導(dǎo)致效率降低和電流失配。

圖2：驅(qū)動LED的恒流電源

高效率

便攜式應(yīng)用中電池使用壽命是至關(guān)重要的。LED驅(qū)動器如果實(shí)用，就必須具備高效性。LED驅(qū)動器的效率測量與典型電源的效率測量不同。典型電源效率測量的定義是輸出功率除以輸入功率。而對于LED驅(qū)動器來說，輸出功率并非相關(guān)參數(shù)。重要的是產(chǎn)生預(yù)期LED亮度所需要的輸入功率值。這可以簡單地通過使LED功率除以輸入功率來確定。請注意：如果這樣定義效率的話，則電流檢測電阻器中的功耗會導(dǎo)致電源功率耗散。通過圖3所示的公式，我們可以看出較小的電流傳感電壓會產(chǎn)生較高效率的LED驅(qū)動器。圖4說明了選用0.25V參考電壓的電源與選用1V參考電壓的電源相比，二者的效率提高情況。較低的電流傳感電壓電源更為有效，無論輸入電壓或LED電流如何，只要其他條件相同，較低的參考電壓都可以提高效率并延長電池的使用壽命。

圖3：LED驅(qū)動器效率顯示了電流檢測電阻器損耗的重要性


圖4：低電流傳感電壓更有效

PWM調(diào)光

許多便攜式LED應(yīng)用都需要進(jìn)行光度調(diào)節(jié)。在LCD背光等應(yīng)用中，調(diào)光功能可提供亮度及對比度調(diào)節(jié)。我們可采用兩種調(diào)光方法：模擬與 PWM。利用模擬調(diào)光，通過向LED施加50％的最大電流可實(shí)現(xiàn)50％的亮度。這種方法的缺點(diǎn)是會出現(xiàn)LED顏色偏移并且需要采用模擬控制信號，因此使用率一般不高。以更低忙閑度向LED施加滿電流可實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。在50％忙閑度施加滿電流可達(dá)到50％亮度。為確保人的肉眼看不到PWM脈沖，PWM信號的頻率必須高于100Hz。最大PWM頻率取決于電源啟動與響應(yīng)時間。為提供最大的靈活性以及集成簡易性，LED驅(qū)動器應(yīng)能夠接受高達(dá)50kHz的PWM頻率。

過壓保護(hù)

在恒流模式中操作電源需要采用過壓保護(hù)功能。無論負(fù)載為多少，恒流電源都可產(chǎn)生恒定輸出電流。如果負(fù)載電阻增大，電源的輸出電壓也必須隨之增大。 這就是電源保持恒流輸出的方法。如果電源檢測到過大的負(fù)載電阻，或者負(fù)載斷開的話，輸出電壓可提高到超出IC或其他分立電路元件的額定電壓范圍。恒流LED驅(qū)動器可采用多種過壓保護(hù)方法。其中一個方法是使齊納二極管與LED并聯(lián)。這種方法可以將輸出電壓限制到齊納擊穿電壓和電源的參考電壓。在過壓條件下，輸出電壓會提高到齊納擊穿點(diǎn)并開始傳導(dǎo)。輸出電流會通過齊納二極管，然后通過電流檢測電阻器接地。 在齊納二極管限制最大輸出情況下電源可連續(xù)產(chǎn)生恒定的輸出電流。更佳的過壓保護(hù)方法是監(jiān)控輸出電壓并在達(dá)到過壓分界點(diǎn)時關(guān)閉電源。如果出現(xiàn)故障，在過壓條件下關(guān)斷電源可降低功耗并延長電池使用壽命。

負(fù)載斷開

LED驅(qū)動電源中一個經(jīng)常被忽視的功能是負(fù)載斷開。在電源失效時負(fù)載斷開功能可以把LED從電源斷開。這種功能在下列兩種情況下至關(guān)重要，即斷電和PWM調(diào)光。如圖2所示，在升壓轉(zhuǎn)換器斷電期間，負(fù)載仍然通過電感器和捕獲二極管與輸入電壓連接。由于輸入電壓仍然與LED連接，即使電源已經(jīng)失效，就會繼續(xù)產(chǎn)生一個小電流。即使很小的泄漏電流也會在很長的空閑期間極大縮短電池壽命。負(fù)載斷開在PWM調(diào)光時也很重要。在PWM空閑期間，電源已經(jīng)失效，但是輸出電容器仍然與LED連接。如果沒有負(fù)載斷開功能，輸出電容器會通過LED放電，直到PWM脈沖再次打開電源。由于電容器在每個PWM循環(huán)開始都部分放電，一次電源必須在每個PWM循環(huán)開始時給輸出電容器充電。因此會在每個PWM循環(huán)產(chǎn)生突入電流脈沖。突入電流會降低系統(tǒng)效率并在輸入總線上產(chǎn)生瞬時電壓。而如果具有負(fù)載斷開功能，LED就會從電路斷開，這樣，在電源失效時就不會存在泄漏電流，而且在PWM調(diào)光循環(huán)之間輸出電容器都是充滿的。實(shí)施負(fù)載斷開電路時最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個MOSFET。在電流傳感電阻器和接地之間放置MOSFET會產(chǎn)生一個附加壓降，其在輸出電流設(shè)定點(diǎn)會把自身顯示為一個差錯。

簡便易用

簡便易用是相對而言的。在評估電路的簡便易用性時，不但必須考慮初始設(shè)計的復(fù)雜性，而且還必須要考慮在未來進(jìn)行快速修改并把電路用于其他有不同輸入或輸出要求的程序時需要做的工作。總之，滯后控制器非常簡便易用。滯后控制器可消除傳統(tǒng)電源設(shè)計中必需的復(fù)雜頻率補(bǔ)償功能。雖然頻率補(bǔ)償對于有經(jīng)驗(yàn)的電源設(shè)計人員來說是小菜一碟，但是對于新手來說就不那么輕松了。由于最佳的補(bǔ)償隨輸入和輸出條件的不同而不同，傳統(tǒng)的電源設(shè)計不能實(shí)現(xiàn)針對不同操作條件的快速修改。而滯后控制器具有內(nèi)在的穩(wěn)定性從而在輸出/輸出條件改變時無需改變。

小尺寸

小尺寸是便攜式電路的一個重要特性。電路元件的尺寸受多種因素的影響。其中一個因素是切換頻率。高切換頻率允許采用小型無源元件。用于便攜應(yīng)用的現(xiàn)代LED驅(qū)動器應(yīng)能夠以高達(dá)1MHz頻率切換。由于切換頻率并不能明顯縮小電路尺寸，而且較高的切換損耗會降低效率和縮短電池壽命，所以建議切換頻率一般不超過1MHz。把各種功能集成到控制IC是實(shí)現(xiàn)小型驅(qū)動解決方案的一個最重要的因素。如果上述所有功能都通過分離的元件實(shí)現(xiàn)的話，它們所需要的電路板空間將超出電源自身占用的空間。把它們集成到控制IC可大大縮小整體驅(qū)動器尺寸。功能集成的第二個同樣重要優(yōu)勢是可以降低解決方案總成本。如果分步執(zhí)行的話，LED驅(qū)動器中所有預(yù)期功能會導(dǎo)致每額外個別成本增加0.60～0.70美元。而當(dāng)集成到控制IC時，這些功能只會增加IC成本0.10～0.15美元。

實(shí)用解決方案

TPS61042是現(xiàn)代LED驅(qū)動器控制IC的絕佳例子。圖5說明TPS61042的方框圖。方框圖顯示一個高度集成的控制IC。Q1是一個低電阻集成電源FET。此部件的低電阻有助于實(shí)現(xiàn)極高的效率。0.25V參考電壓可降低電流傳感電阻器中的損耗。通過在高達(dá)50kHz頻率情況下向CTRL引腳施加PWM信號，此IC可以輕松實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。Q2實(shí)現(xiàn)集成的負(fù)載斷開電路。由于已經(jīng)集成，負(fù)載斷開電路可以與PWM調(diào)光頻率完美同步。過壓保護(hù)功能也已經(jīng)集成到IC中。大多經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計人員都會看出省略了誤差信號放大器和相關(guān)補(bǔ)償電路。這種功能已經(jīng)被誤差比較儀所取代。該IC利用滯后控制反饋拓?fù)涔ぷ?，因此不需要補(bǔ)償并且具有內(nèi)在穩(wěn)定性。在方框圖中未顯示IC物理尺寸。全部電路和功能都集成到3mm′3mm的QFN封裝中。圖6說明了一個典型LED驅(qū)動應(yīng)用，其驅(qū)動4個LED，正向電流為20mA，輸入電壓范圍為1.8V～6.0V。整個電路是由控制IC、2個小陶瓷帽、1個電感器、一個二級管和1個電流傳感電阻器組成。這種緊湊、高度集成的電路說明了利用當(dāng)今的LED驅(qū)動器可以實(shí)現(xiàn)的高水平集成。利用控制IC和6個小表面貼裝無源元件就可以實(shí)現(xiàn)主要電源功能和輔助功能，如：負(fù)載斷開、過壓保護(hù)、PWM調(diào)光等。

圖5：TPS61042方框圖說明了高水平集成


圖6：典型TPS61042 LED驅(qū)動器解決方案