白光LED電源設(shè)計(jì)技術(shù)

摘要

　　隨著彩色顯示屏在便攜市場(chǎng)（如手機(jī)、PDA以及超小型PC）中的廣泛采用，對(duì)于一個(gè)單色LCD照明而言，就需要一個(gè)白色背光或側(cè)光。與常用的CCFL（冷陰極熒光燈）背光相比，由于LED需要更低的功耗和更小的空間，所以其看起來是背光應(yīng)用不錯(cuò)的選擇。白光LED的典型正向電壓介于3V～5V之間。由于為白光LED供電的最佳選擇是選用一個(gè)恒流電源，且鋰離子電池的輸入電壓范圍低于或等于LED正向電壓，因此就需要一款新型電源解決方案。

　　主要的電源要求包括高效率、小型的解決方案尺寸以及調(diào)節(jié)LED亮度的可能性。對(duì)于具有無(wú)線功能的便攜式系統(tǒng)而言，可接受的EMI性能成為我們關(guān)注的另一個(gè)焦點(diǎn)。當(dāng)高效率為我們選擇電源最為關(guān)心的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器就是一款頗具吸引力的解決方案，而其他常見的解決方案是采用充電泵轉(zhuǎn)換器。在本文中，我們分別對(duì)用于驅(qū)動(dòng)白光LED的兩款解決方案作了討論，并探討了他們與主要電源要求的關(guān)系。另外一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)考慮因素是調(diào)節(jié)LED亮度的控制方法，其亮度不但會(huì)影響整個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率，而且還有可能會(huì)出現(xiàn)白光LED的色度變換。下面將介紹一款使用一個(gè)PWM信號(hào)來控制其亮度的簡(jiǎn)單的解決方案。與其他標(biāo)準(zhǔn)解決方案相比，該解決方案的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是其更高的效率。

任務(wù)

　　一旦為白光LED選定了電源以后，對(duì)于一個(gè)便攜式系統(tǒng)來說，其主要的要求就是效率、整體解決方案尺寸、解決方案成本以及最后一項(xiàng)但非常重要的EMI（電磁干擾）性能。根據(jù)便攜式系統(tǒng)的不同，對(duì)這些要求的強(qiáng)調(diào)程度也不盡相同。效率通常是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)中最重要或次重要的考慮因素，因此在選擇電源時(shí)，要認(rèn)真考慮這一因素。圖1示顯示了白光LED電源的基本電路。

　　該鋰離子電池具有一個(gè)介于2.7V～4.2V的電壓范圍。該電源的主要任務(wù)是為白光LED提供一個(gè)恒定的電流和一個(gè)典型的3.5V正向電壓。

　　與充電泵解決方案相比，升壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)更高的效率

　　一般來說，用于驅(qū)動(dòng)白光LED的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種：即充電泵或開關(guān)電容解決方案和升壓轉(zhuǎn)換器。這兩款解決方案均可提供較高的輸出和輸入電壓。二者主要的不同之處在于轉(zhuǎn)換增益M=Vout/Vin，該增益將直接影響效率；而通常來說，充電泵解決方案的轉(zhuǎn)換增益是固定不變的。一款固定轉(zhuǎn)換增益為2的簡(jiǎn)單充電泵解決方案通常會(huì)產(chǎn)生比LED正向電壓高很多的電壓，如方程式(1)所示。其將帶來僅為47%的效率，如方程式(2)所示。

　　式中Vchrgpump為充電泵IC內(nèi)部產(chǎn)生的電壓，VBat為鋰離子電池的典型電池電壓。充電泵需要提供一個(gè)恒定的電流以及相當(dāng)于LED3.5V典型正向電壓的輸出電壓。通常，固定轉(zhuǎn)換增益為2的充電泵會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)更高的電壓(1)，該電壓將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)降低整體系統(tǒng)效率的內(nèi)部壓降(2)。更為高級(jí)的充電泵解決方案通過在1.5和1轉(zhuǎn)換增益之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換克服了這一缺點(diǎn)。這樣就可以在電池電壓稍微高于LED電壓時(shí)實(shí)現(xiàn)在90%～95%效率級(jí)別之間運(yùn)行，從而充許使用增益值為1的轉(zhuǎn)換增益。方程式(3)和方程式(4)顯示了這一性能改進(jìn)。

　　當(dāng)電池電壓進(jìn)一步降低時(shí)，充電泵需要轉(zhuǎn)換到1.5增益，從而導(dǎo)致效率下降至60%～70%，如示例(5)和(6)所示。

　　圖2顯示了充電泵解決方案在不同轉(zhuǎn)換增益M條件下理論與實(shí)際效率曲線圖。

　　轉(zhuǎn)換增益為2的真正的倍壓充電泵具有非常低的效率（低至40%），且對(duì)便攜式設(shè)備沒有太大的吸引力；而具有組合轉(zhuǎn)換增益（增益為1.0和1.5）的充電泵則顯示出了更好的效果。這樣一款充電泵接下來的問題就是從增益M=1.0向M=1.5的轉(zhuǎn)換點(diǎn)轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)榘l(fā)生增益轉(zhuǎn)換后效率將下降至60%的范圍。當(dāng)電池可在大部分時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)行的地方發(fā)生效率下降（轉(zhuǎn)換）時(shí)，整體效率會(huì)降低。因此，在接近3.5V的低電池電壓處發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)高效率。但是，該轉(zhuǎn)換點(diǎn)取決于LED正向電壓、LED電流、充電泵I2R損耗以及電流感應(yīng)電路所需的壓降。這些參數(shù)將把轉(zhuǎn)換點(diǎn)移至更高的電池電壓。因此，在具體的系統(tǒng)中必須要對(duì)這樣一款充電泵進(jìn)行精心評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)高效率數(shù)值。

　　計(jì)算得出的效率數(shù)值顯示了充電泵解決方案最佳的理論值。在現(xiàn)實(shí)生活中，根據(jù)電流控制方法的不同會(huì)發(fā)生更多的損耗，其對(duì)效率有非常大的影響。除了I2R損耗以外，該器件中的開關(guān)損耗和靜態(tài)損耗也將進(jìn)一步降低該充電泵解決方案的效率。

　　通過使用一款感應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器可以克服這些不足之處，該升壓轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)可變轉(zhuǎn)換增益M，如方程式(7)和圖3所示。

　　該升壓轉(zhuǎn)換器占空比D可在0%和實(shí)際的85%左右之間發(fā)生變化，如圖3所示。

　　可變轉(zhuǎn)換增益可實(shí)現(xiàn)一個(gè)剛好與LED正向電壓相匹配的電壓，從而避免了內(nèi)部壓降，并實(shí)現(xiàn)了高達(dá)85%的效率。

　　可驅(qū)動(dòng)4白光LED的標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器

　　圖4中的升壓轉(zhuǎn)換器被配置為一個(gè)可驅(qū)動(dòng)4白光LED的電流源。該器件將檢測(cè)電阻器Rs兩端的電壓調(diào)節(jié)至1.233V，從而得到一個(gè)定義的LED電流。

　　本結(jié)構(gòu)中使用的升壓轉(zhuǎn)換器在1.233V電流檢測(cè)電阻器兩端將有一個(gè)壓降，而檢測(cè)電阻器的功耗會(huì)降低該解決方案的效率。因此，必須降低檢測(cè)和調(diào)節(jié)該LED電流的壓降。除此之外，對(duì)于許多應(yīng)用來說，調(diào)節(jié)LED電流和LED亮度的可能性也是必須的。圖5中的電路實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)要求。

　　在圖5中，一個(gè)可選齊納二極管被添加到了電路中，用鉗位控制輸出電壓，以防止一個(gè)LED斷開連接或出現(xiàn)高阻抗。一個(gè)具有3.3V振幅的PWM信號(hào)被施加到該轉(zhuǎn)換器的反饋電路上，同時(shí)使用了一個(gè)低通濾波器Rf和Cf，以過濾PWM信號(hào)的DC部分并在R2處建立一個(gè)模擬電壓(Vadj)。通過改變所施加PWM信號(hào)的占空比，使該模擬電壓上升或下降，從而調(diào)節(jié)該轉(zhuǎn)換器的反饋電壓，此舉會(huì)增加或降低轉(zhuǎn)換器的LED電流。通過在R2處施加一個(gè)高于轉(zhuǎn)換器反饋電壓(1.233V)的模擬電壓，可以在檢測(cè)電阻器兩端實(shí)現(xiàn)一個(gè)更低的感應(yīng)電壓。對(duì)于一個(gè)20mALED電流而言，感應(yīng)電壓從1.233V下降到了0.98V（對(duì)于10mALED電流而言，甚至?xí)抵?.49V）。

　　當(dāng)使用一個(gè)具有3.3V振幅的PWM信號(hào)時(shí)，必須要將控制LED亮度的占空比范圍從50%調(diào)整到100%，以得到一個(gè)通常會(huì)高于1.233V反饋電壓的模擬電壓。在50%占空比時(shí)，模擬電壓將為1.65V，從而產(chǎn)生一個(gè)20mA、0.98V的感應(yīng)電壓。將占空比范圍限制在70%～100%之間會(huì)進(jìn)一步降低感應(yīng)電壓。由此得出的效率曲線如圖6所示。

　　效率還取決于所選電感。在此應(yīng)用中，一個(gè)尺寸為1210的小型電感可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)83%的效率，從而使總體解決方案尺寸可與一個(gè)需要兩個(gè)尺寸為0603的飛跨電容充電泵解決方案相媲美。

　　圖7顯示了LED電流作為控制LED亮度的PWM占空比的一個(gè)線性函數(shù)。

　　上述解決方案顯示了用于驅(qū)動(dòng)白光LED的標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)以及通過限制PWM占空比范圍并選擇一個(gè)不同的電流控制反饋網(wǎng)絡(luò)來提高效率的可能性。按照邏輯思維，我們接下來將討論一款集成了所有這些特性的解決方案。

　　專用LED驅(qū)動(dòng)器減少了外部組件數(shù)量

　　圖8顯示了一款集成了前面所述特性的器件。直接在CTRL引腳上施加一個(gè)PWM信號(hào)就可以對(duì)LED電流進(jìn)行控制。

　　電流感應(yīng)電壓被降至250mV，且過壓保護(hù)功能被集成到一個(gè)采用小型3mm×3mmQFN封裝的器件中。其效率曲線如圖9和圖10所示。

　　圖10顯示整個(gè)鋰離子電池電壓范圍（2.7V～4.2V）內(nèi)均可以實(shí)現(xiàn)80%以上的效率。在此應(yīng)用中，使用了一個(gè)高度僅為1.2mm的電感(Sumida CMD4D11-4R7，3.5mm*5.3mm*1.2mm)。

　　從圖10中的效率曲線可以看出：在大多數(shù)應(yīng)用中，升壓轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)比充電泵解決方案更高的效率。但是，在無(wú)線應(yīng)用中使用升壓轉(zhuǎn)換器或充電泵時(shí)還需要考慮EMI問題。

對(duì)EMI加以控制

　　由于這兩款解決方案均為運(yùn)行在高達(dá)1MHz轉(zhuǎn)換頻率上的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，且可以快速的上升和下降，因此無(wú)論使用哪一種解決方案（充電泵還是升壓轉(zhuǎn)換器）都必須要特別謹(jǐn)慎。如果使用的是充電泵解決方案，則不需要使用電感，因此也就不存在磁場(chǎng)會(huì)引起EMI的問題了。但是，充電泵解決方案的飛跨電容通過在高頻率時(shí)開啟和關(guān)閉開關(guān)來持續(xù)地充電和放電。這將引起電流峰值和極快的上升，并對(duì)其他電路發(fā)生干擾。因此飛跨電容應(yīng)該盡可能地靠近IC連接，且線跡要非常短以最小化EMI放射。必須使用一個(gè)低ESR輸入電容以最小化高電流峰值（尤其是出現(xiàn)在輸入端的電流峰值）。

　　如果使用的是一款升壓轉(zhuǎn)換器，則屏蔽電感器將擁有一個(gè)更為有限的磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)更好的EMI性能。應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率加以選擇以最小化所有對(duì)該系統(tǒng)無(wú)線部分產(chǎn)生的干擾。PCB布局將對(duì)EMI產(chǎn)生重大影響，尤其要將承載開關(guān)或AC電流的線跡保持盡可能小以最小化EMI放射，如圖11所示。

　　粗線跡應(yīng)先完成布線，且必須使用一個(gè)星形接地或接地層以最小化噪聲。輸入和輸出電容應(yīng)為低ESR陶瓷電容以最小化輸入和輸出電壓紋波。

結(jié)論

　　在大多數(shù)應(yīng)用中，與充電泵相比，升壓轉(zhuǎn)換器顯示出了更高的效率。使用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器（其電感大小與1210外殼尺寸一樣）降低了充電泵在總體解決方案尺寸方面的優(yōu)勢(shì)。至少需要根據(jù)總體解決方案的尺寸對(duì)效率進(jìn)行評(píng)估。在EMI性能方面，對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)還需要考慮更多因素和對(duì)更多相關(guān)知識(shí)的了解。

　　總之，對(duì)于許多系統(tǒng)而言，尤其在器件擁有一個(gè)從1.0到1.5的靈活轉(zhuǎn)換增益的時(shí)候，充電泵解決方案將是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。在稍微高于LED正向電壓處發(fā)生從1.0到1.5的轉(zhuǎn)換增益時(shí)，這樣一款解決方案將實(shí)現(xiàn)絕佳的效率。在為每個(gè)應(yīng)用選擇升壓轉(zhuǎn)換器或充電泵解決方案時(shí)，需要充分考慮便攜式系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。如果效率是關(guān)鍵的要求，則升壓轉(zhuǎn)換器將為更適宜的解決方案。