《電子技術(shù)應(yīng)用》
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白光LED電源設(shè)計技術(shù)
摘要: 隨著彩色顯示屏在便攜市場(如手機、PDA以及超小型PC)中的廣泛采用,對于一個單色LCD照明而言,就需要一個白色背光或側(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。
關(guān)鍵詞: LED背光|驅(qū)動 白光 LED 電源
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摘要

  隨著彩色顯示屏在便攜市場(如手機、PDA以及超小型PC)中的廣泛采用,對于一個單色LCD照明而言,就需要一個白色背光或側(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。對于具有無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)注的另一個焦點。當高效率為我們選擇電源最為關(guān)心的標準時,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,我們分別對用于驅(qū)動白光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。另外一個很重要的設(shè)計考慮因素是調(diào)節(jié)LED亮度的控制方法,其亮度不但會影響整個轉(zhuǎn)換器的效率,而且還有可能會出現(xiàn)白光LED的色度變換。下面將介紹一款使用一個PWM信號來控制其亮度的簡單的解決方案。與其他標準解決方案相比,該解決方案的另外一個優(yōu)勢就是其更高的效率。

  任務(wù)

  一旦為白光LED選定了電源以后,對于一個便攜式系統(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,對這些要求的強調(diào)程度也不盡相同。效率通常是關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)中最重要或次重要的考慮因素,因此在選擇電源時,要認真考慮這一因素。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提供一個恒定的電流和一個典型的3.5V正向電壓。

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

  一般來說,用于驅(qū)動白光LED的電源拓撲結(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的簡單充電泵解決方案通常會產(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恒定的電流以及相當于LED3.5V典型正向電壓的輸出電壓。通常,固定轉(zhuǎn)換增益為2的充電泵會在內(nèi)部產(chǎn)生一個更高的電壓(1),該電壓將會導(dǎo)致一個降低整體系統(tǒng)效率的內(nèi)部壓降(2)。更為高級的充電泵解決方案通過在1.5和1轉(zhuǎn)換增益之間進行轉(zhuǎn)換克服了這一缺點。這樣就可以在電池電壓稍微高于LED電壓時實現(xiàn)在90%~95%效率級別之間運行,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。

  當電池電壓進一步降低時,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)換點轉(zhuǎn)換,這是因為發(fā)生增益轉(zhuǎn)換后效率將下降至60%的范圍。當電池可在大部分時間內(nèi)正常運行的地方發(fā)生效率下降(轉(zhuǎn)換)時,整體效率會降低。因此,在接近3.5V的低電池電壓處發(fā)生轉(zhuǎn)換時就可以實現(xiàn)高效率。但是,該轉(zhuǎn)換點取決于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)換點移至更高的電池電壓。因此,在具體的系統(tǒng)中必須要對這樣一款充電泵進行精心評估,以實現(xiàn)高效率數(shù)值。

  計算得出的效率數(shù)值顯示了充電泵解決方案最佳的理論值。在現(xiàn)實生活中,根據(jù)電流控制方法的不同會發(fā)生更多的損耗,其對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)換增益可實現(xiàn)一個剛好與LED正向電壓相匹配的電壓,從而避免了內(nèi)部壓降,并實現(xiàn)了高達85%的效率。

  可驅(qū)動4白光LED的標準升壓轉(zhuǎn)換器

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

  本結(jié)構(gòu)中使用的升壓轉(zhuǎn)換器在1.233V電流檢測電阻器兩端將有一個壓降,而檢測電阻器的功耗會降低該解決方案的效率。因此,必須降低檢測和調(diào)節(jié)該LED電流的壓降。除此之外,對于許多應(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中的電路實現(xiàn)了這兩個要求。

  在圖5中,一個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LED斷開連接或出現(xiàn)高阻抗。一個具有3.3V振幅的PWM信號被施加到該轉(zhuǎn)換器的反饋電路上,同時使用了一個低通濾波器Rf和Cf,以過濾PWM信號的DC部分并在R2處建立一個模擬電壓(Vadj)。通過改變所施加PWM信號的占空比,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,此舉會增加或降低轉(zhuǎn)換器的LED電流。通過在R2處施加一個高于轉(zhuǎn)換器反饋電壓(1.233V)的模擬電壓,可以在檢測電阻器兩端實現(xiàn)一個更低的感應(yīng)電壓。對于一個20mALED電流而言,感應(yīng)電壓從1.233V下降到了0.98V(對于10mALED電流而言,甚至?xí)抵?.49V)。

  當使用一個具有3.3V振幅的PWM信號時,必須要將控制LED亮度的占空比范圍從50%調(diào)整到100%,以得到一個通常會高于1.233V反饋電壓的模擬電壓。在50%占空比時,模擬電壓將為1.65V,從而產(chǎn)生一個20mA、0.98V的感應(yīng)電壓。將占空比范圍限制在70%~100%之間會進一步降低感應(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,一個尺寸為1210的小型電感可以實現(xiàn)高達83%的效率,從而使總體解決方案尺寸可與一個需要兩個尺寸為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占空比的一個線性函數(shù)。

  上述解決方案顯示了用于驅(qū)動白光LED的標準升壓轉(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PWM信號就可以對LED電流進行控制。

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

  圖10顯示整個鋰離子電池電壓范圍(2.7V~4.2V)內(nèi)均可以實現(xiàn)80%以上的效率。在此應(yīng)用中,使用了一個高度僅為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)換器可以實現(xiàn)比充電泵解決方案更高的效率。但是,在無線應(yīng)用中使用升壓轉(zhuǎn)換器或充電泵時還需要考慮EMI問題。

  對EMI加以控制

  由于這兩款解決方案均為運行在高達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會引起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更為有限的磁場,從而實現(xiàn)更好的EMI性能。應(yīng)對轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率加以選擇以最小化所有對該系統(tǒng)無線部分產(chǎn)生的干擾。PCB布局將對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。至少需要根據(jù)總體解決方案的尺寸對效率進行評估。在EMI性能方面,對升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計還需要考慮更多因素和對更多相關(guān)知識的了解。

  總之,對于許多系統(tǒng)而言,尤其在器件擁有一個從1.0到1.5的靈活轉(zhuǎn)換增益的時候,充電泵解決方案將是一個不錯的解決方案。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,這樣一款解決方案將實現(xiàn)絕佳的效率。在為每個應(yīng)用選擇升壓轉(zhuǎn)換器或充電泵解決方案時,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。

 

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