LED驅動(dòng)器設計實(shí)例

多功能移動(dòng)電話(huà)顯示屏的白光LED驅動(dòng)器的電源是由輸入電壓在2。7～4。2V之間的鋰離子電池供應的。移動(dòng)電話(huà)顯示屏內置了4個(gè)串聯(lián)的白光LED，每個(gè)LED的最大正向電流為20mA，這種設計需要⒛mA的最大輸出電流和4×4V＝16V的輸出電壓。該移動(dòng)電話(huà)要求具有顯示屏亮度調整功能，即希望移動(dòng)電話(huà)在閑置一段時(shí)間后，能夠逐漸降低屏幕亮度。電路中的系統處理器負責提供PWM調光功能所需的數字信號。在實(shí)際設計中，電池的使用壽命是主要考慮因素，因此應盡量提高效率。移動(dòng)電話(huà)顯示屏大約有98％的時(shí)間處于待機模式，因此需要白光LED驅動(dòng)器具有負載切斷功能，以便延長(cháng)電池的使用時(shí)間。由于移動(dòng)電話(huà)會(huì )受到體積限制，故需要小型的集成化解決方案。

在實(shí)際設計中采用TPS61043能滿(mǎn)足上述要求。TPS61043是電感式升壓變換器，其內置有功率MOSFET管，它也是專(zhuān)為驅動(dòng)白光LED而設計的驅動(dòng)器。TPS61043還提供了負載切斷、過(guò)電壓保護和PWM調光功能。TPS61043的開(kāi)關(guān)頻率為1MHz，設計中可使用體積最小的外部元器件。

（1）檢測電阻的選擇

采用TPS61043構成白光LED驅動(dòng)器的外部電路的設計關(guān)鍵主要是如何正確選擇外部元件，同時(shí)完成適當的電路布局。電流檢測電阻值是用TPS61043的參考電壓0。252V除以所要求的白光LED最大電流0。02A來(lái)決定的，即電流檢測電阻值為12。6Ω，電阻的功耗為5mW，因此可選擇0402型電阻器以節省電路板面積。

（2）電感的選擇

選擇適當的電感不僅可確保設計的符合要求，而且也能滿(mǎn)足有限的電路板面積要求。選擇電感時(shí)必須考慮的三項參數有：電感值、飽和電流和線(xiàn)圈阻抗（DCR）。如同所有的開(kāi)關(guān)式變換器一樣，選擇電感就是在效率和電路板面積間做出折中，較大的電感值可提供更小的阻抗、更高的效率和更大的飽和電流額定值；較小的電感則使用了較少的電路板面積，飽和電流額定值也較小，但線(xiàn)圈阻抗卻比較大，因此整體效率較低。

在傳統的升壓變換器中，輸出電感和電容會(huì )決定變換器的反饋回路是否穩定，因此被選中的電感、電容和補償網(wǎng)絡(luò )的器件都必須經(jīng)過(guò)測試，以確保電路能夠穩定工作。由于TPS61043采用了先進(jìn)的控制電路，因此無(wú)論采用多大的電感值，電路都能確保工作穩定，因此不必考慮反饋補償的問(wèn)題。在這個(gè)控制電路中，開(kāi)關(guān)頻率F，是由電感值、輸入電壓、輸出電壓和負載電流決定的，其計算公式如下。

式中，IOUT是白光LED的電流（最大值為0。02A）；UOUT是輸出電壓（最大值為16V）；UIN是輸入電壓（最小值為2。7V）；UF是逆向電壓保護二極管的正向電壓，取0。4V；Ilim是峰值開(kāi)關(guān)電流（為0。4A，由控制拓撲決定）；LOUT是電感值；100的單位是納秒（ns）。

由于電感體積是重要的設計參數，則開(kāi)關(guān)電路應使用高的開(kāi)關(guān)頻率，但由于電感式變換器的開(kāi)關(guān)損耗會(huì )受到開(kāi)關(guān)頻率的影響，因此頻率越高通常就代表效率越低。而較低的開(kāi)關(guān)頻率可以提供較高效率。究竟要如何選擇最適當的開(kāi)關(guān)頻率，才能將變換器開(kāi)關(guān)損耗減至最少，這個(gè)問(wèn)題目前仍沒(méi)有一個(gè)最終方程式可求解出答案來(lái)。

典型的設計步驟是選擇一個(gè)接近最大可能的工作頻率，然后重新調整開(kāi)關(guān)頻率和測量工作效率，直到其參數達到滿(mǎn)意為止。如將開(kāi)關(guān)頻率任意設為700kHz，然后利用公式（2-7）計算出電感值為4。8μH，則實(shí)際電路應采用4。7μH的電感值。

無(wú)論電源或負載的狀況如何，TPS61043控制電路都會(huì )將電感的峰值電流設為400mA，因此可將電感的飽和電流設為400mA。電感線(xiàn)圈的阻抗決定了電感的體積，并且對設計的整體效率有重大影響。本電路選用的電感的是飽和電流為650mA的4。7μH電感，線(xiàn)圈阻抗為150mΩ（LQH32CN4R7），這個(gè)電感的體積僅只有8。2cm×2。5cm×1。55cm，故符合設計要求。

輸入電容能穩定電源的輸入阻抗，這在電池供電型電子設各中極為重要。因為在電源的開(kāi)關(guān)頻率下，所有電池都會(huì )有很高的阻抗，若沒(méi)有輸入電容，開(kāi)關(guān)式電源以脈沖形式自輸入端汲取電流時(shí)，就會(huì )在輸入電源線(xiàn)路上產(chǎn)生很大的電壓紋波，進(jìn)而影響系統其他部分電路的正常工作。TPS61043應使用4。7μF的陶瓷輸入電容，但也可以使用更大的電容值。較小的電容值可以節省電路板面積和成本，但會(huì )增加輸入的紋波電壓。在不增加輸入電容的前提下，減少輸入紋波電壓的方法之一是提高驅動(dòng)器的開(kāi)關(guān)頻率，這可通過(guò)減少電感值來(lái)完成；在較高的開(kāi)關(guān)頻率下，電容阻抗變得較小，這能降低輸入的紋波電壓。

開(kāi)關(guān)式升壓變換器的輸出電容的容量會(huì )直接影響輸出紋波電壓。由于電壓對于白光LED驅動(dòng)電路并不重要，因此可以使用低至0。1μF的輸出電容。這么小的輸出電容確實(shí)會(huì )造成很大的紋波電壓，它會(huì )讓白光LED出現很大的紋波電流。但因紋波電流并不會(huì )對白光LED造成什么影響，且LED的亮度是由白光LED的平均電流決定的，故任何頻率在100Hz以上的紋波電流都不會(huì )被眼睛察覺(jué)。假設白光LED電流波形的波峰為30mA，波谷為10mA（平均為⒛mA），那么它所產(chǎn)生的LED亮度會(huì )和與LED通過(guò)20mA直流電流時(shí)產(chǎn)生的亮度完全相同。輸出電容應使用陶瓷電容，其電壓額定值應該高于變換器的輸出電壓，若輸出電壓為16V，則應選用額定電壓為16V的電容，即使在故障情形下，輸出電壓也只會(huì )上升至19V，因陶瓷電容在兩倍的額定電壓下才會(huì )損壞，所以16V的輸出電容仍在可接受范圍內。對于要求使用壽命長(cháng)或可靠性很高的產(chǎn)品，在設計時(shí)應選用電壓額定值較高的輸出電容。圖2是如圖1所示的白光LED驅動(dòng)器的電壓和電流波形。

圖2圖1的白光LED驅動(dòng)器的電壓和電流波形

（4）布局布線(xiàn)

正確選擇白光LED驅動(dòng)器，并為其設計外部器件，都只是電路設計過(guò)程的一部分。白光LED驅動(dòng)電路必須正確布局和布線(xiàn)，才能保證驅動(dòng)器正常工作，而且不會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的系統噪聲。在布局和布線(xiàn)中，最重要的布局約束條件為：從VD1經(jīng)過(guò)輸出電容到地，再進(jìn)入TPS61043的地線(xiàn)引腳，然后從TPS61043的SW引腳離開(kāi)，最后再回到VD1的回路布線(xiàn)，這個(gè)回路應該越短越好；C1的位置必須靠近L1，以提供如圖2中波形A所示的脈沖電流，此電流從C1出發(fā)，經(jīng)過(guò)L1到地線(xiàn)，然后再回到C1，這個(gè)物理回路面積應盡量縮小。圖2中的波形B是開(kāi)關(guān)結點(diǎn)的電壓，它會(huì )以每秒60萬(wàn)次的速度在地電位和輸出電壓之間切換，因此這個(gè)電路網(wǎng)絡(luò )應該越短越好，以減少任何可能的電磁輻射；圖2中的波形A的電流會(huì )被分成波形C和D，這兩個(gè)路徑上的電流都非常不連續，因此路徑長(cháng)度必須盡量縮短，以減少電磁輻射和電路板的電壓波動(dòng)；輸出電容的位置應很靠近電源端，而不是靠近LED，這樣所有的開(kāi)關(guān)電流都將局限在電源端。由于電流是從電源流向白光LED的，故圖2中的波形E幾乎是直流，LED端也不需要電容濾波。如果輸出電容的位置靠近白光LED，電流就拿在兩塊電路板之間流動(dòng)，使系統噪聲增加。