白光LED電源設(shè)計(jì)技術(shù)

1、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、pda以及超小型p中的廣泛采用，對(duì)于一個(gè)單色ld照明而言，就需要一個(gè)白色背光或側(cè)光。與常用的fl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3v5v之間。由于為白光led供電的最正確選擇是選用一個(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)于具有無線功能的便攜式系統(tǒng)而言，可承受的ei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)

2、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，并討論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)p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、解決方案本錢以及最后一項(xiàng)但非常重要的ei電磁干擾性能。根據(jù)

3、便攜式系統(tǒng)的不同，對(duì)這些要求的強(qiáng)調(diào)程度也不盡一樣。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電源的根本電路。該鋰離子電池具有一個(gè)介于2.7v4.2v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)錁?gòu)造有兩種：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=vut/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

4、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vhrgpup為充電泵i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)展轉(zhuǎn)換克制了這一缺點(diǎn)。這樣就可以在電池電壓略微高于led電壓時(shí)實(shí)如今90%95%效率級(jí)別之間運(yùn)行，從而充許使用增益值為

5、1的轉(zhuǎn)換增益。方程式(3)和方程式(4)顯示了這一性能改良。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%，如例如(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的充電泵那么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=1.0向=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)電池可在大局部時(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.

6、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，在詳細(xì)的系統(tǒng)中必需要對(duì)這樣一款充電泵進(jìn)展精心評(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正確的理論值。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)換器可以克制這些缺乏之處，該升壓轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)可變轉(zhuǎn)換增益，如方程式(7)和圖3所示。該升壓轉(zhuǎn)換器占空比d可在

7、0%和實(shí)際的85%左右之間發(fā)生變化，如圖3所示?？勺冝D(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，從而防止了內(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。本構(gòu)造中使用的升壓轉(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

8、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p信號(hào)被施加到該轉(zhuǎn)換器的反應(yīng)電路上，同時(shí)使用了一個(gè)低通濾波器rf和f，以過濾p信號(hào)的d局部并在r2處建立一個(gè)模擬電壓(vadj)。通過改變所施加p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)換器的反應(yīng)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)換器反應(yīng)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)20aled電流而言，感應(yīng)電壓從1.233v下降到了0.98v對(duì)于10aled電流而言，甚至?xí)抵?.49v。當(dāng)使用一個(gè)具有

9、3.3v振幅的p信號(hào)時(shí)，必需要將控制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反應(yīng)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)20a、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p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)換器的構(gòu)造

10、以及通過限制p占空比范圍并選擇一個(gè)不同的電流控制反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)步效率的可能性。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trl引腳上施加一個(gè)p信號(hào)就可以對(duì)led電流進(jìn)展控制。電流感應(yīng)電壓被降至250v，且過壓保護(hù)功能被集成到一個(gè)采用小型33qfn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2.7v4.2v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1.2的電感(suidad4d11-4r7，3.5*5.3*1.2)。從圖10中的效率曲線可以看出：在

11、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，在無線應(yīng)用中使用升壓轉(zhuǎn)換器或充電泵時(shí)還需要考慮ei問題。對(duì)ei加以控制由于這兩款解決方案均為運(yùn)行在高達(dá)1hz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)換器都必需要特別慎重。假如使用的是充電泵解決方案，那么不需要使用電感，因此也就不存在磁場(chǎng)會(huì)引起ei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i連接，且線跡要非常短以最小化ei放射。必須使用一個(gè)低esr輸入電容以

12、最小化高電流峰值尤其是出如今輸入端的電流峰值。假如使用的是一款升壓轉(zhuǎn)換器，那么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ei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)無線局部產(chǎn)生的干擾。pb布局將對(duì)ei產(chǎn)生重大影響，尤其要將承載開關(guān)或a電流的線跡保持盡可能小以最小化ei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)展評(píng)估。在ei性能方面，對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)還需要考慮