低壓電池供電仍是LED驅動(dòng)器的主流應用

引言
近年來(lái)，白光LED在照明領(lǐng)域成為越來(lái)越重要的創(chuàng )新產(chǎn)品。出眾的使用壽命及光效率使白光led在快速增長(cháng)的應用產(chǎn)品中，成為客戶(hù)首選的解決方案。集成電路制造商已開(kāi)發(fā)出多種解決方案，使工程人員在最佳工作條件下使用這些新型元件。本文旨在幫助他們選擇最佳的LED驅動(dòng)器拓撲結構。雖然也可使用高壓交流電源驅動(dòng)LED，但是低壓電池供電系統仍然是主流應用方案。因此，本文將著(zhù)重關(guān)注后一種類(lèi)型的驅動(dòng)器。

　　驅動(dòng)器比較
在介紹驅動(dòng)器工作原理之前，讓我們簡(jiǎn)單了解一下LED的一些基本特性。發(fā)射光與通過(guò)發(fā)光二極管的電流量成線(xiàn)性正比關(guān)系。因此，嚴格控制正向電流對于獲得所需的光發(fā)射而言極為重要。而且，與其它二極管相比，白光LED呈高度非線(xiàn)性。與普通整流器相比，白光LED在電氣性能上的唯一區別是其電壓為正向電壓，范圍在3V~4V之間。因為電流和電壓的關(guān)系與溫度及工藝有關(guān)，所以在 LED上施加電壓會(huì )導致電流輕微失控。因此，驅動(dòng)LED的最佳方法是在電流模式中進(jìn)行操作。
LED驅動(dòng)器的選擇范圍很廣，但其目標應用數量有限。彩屏手機的廣泛使用推動(dòng)了白光LED的生產(chǎn)。白光LED被視為顯示屏背光的最佳解決方案。因此

，驅動(dòng)器首先開(kāi)發(fā)使用鋰離子電池供電。允許的電源電壓范圍一般是2.7V~5.5V。出于同一使用原因，連接到一個(gè)驅動(dòng)器的LED數量直接取決于LCD的尺寸。很多時(shí)候，LED的使用數量為3~5個(gè)，但是對于大型顯示屏，可使用多達10個(gè) LED。第三個(gè)限制因素是解決方案的尺寸。制造商始終在尋求最小且最薄的解決方案。由于該方案使用電池供電，因此效率成為區分驅動(dòng)器的關(guān)鍵因素。第二種電路類(lèi)型是閃光燈，背光電路之間的主要區別是輸出功率。用于攝像手機閃光燈的LED需要100mA~ 1.2A電流，而普通背光僅需 20mA，LED的數量從1個(gè)到4個(gè)不等。如果不需要超過(guò)500mW 的電氣功率，則顯示屏背光電路有極大的選擇空間。一般來(lái)說(shuō)從500mW~ 5W的規格更接近于閃光燈應用。
現在讓我們看一下不同的拓撲結構（如圖1所示）。正向電壓通常高于電池電壓，所以電容性電荷泵或電感升壓裝置可用于提高可用電壓。電感升壓裝置的獨特優(yōu)點(diǎn)在于，僅需使用一個(gè)功率開(kāi)關(guān)即可產(chǎn)生足夠電壓，以串聯(lián)LED。沒(méi)有其他較好的方案能像這方案確保所有LED具有相同電流和亮度，可對電感的充放電進(jìn)行有效控制，確保穩定的電流通過(guò)與LED串聯(lián)的檢測電阻。這種電路的特點(diǎn)是效率較高。例如，NCP5006在輸出電壓為22V的情況下可以實(shí)現高達90%的效率。當然，實(shí)現這些卓越特性也要付出代價(jià)，即需要電感。這種元件一般比電容更貴更厚。對于非常重視厚度和 PCB面積的應用，最佳解決方案通常是電容性電荷泵。

　　電荷泵用電池電壓對電容器進(jìn)行充電，然后用電氣方法對電容器電壓進(jìn)行“存儲”，提供高于電源電壓的輸出電壓，需要使用數個(gè)開(kāi)關(guān)對電容器進(jìn)行正確連接。內部復雜度有所提高，但外部元件可能較小。電荷泵是一個(gè)電壓源，其數值取決于電容和開(kāi)關(guān)數量。因此，在不大幅提高復雜度的情況下，達到較高輸出電壓更為困難。在這種情況下，要對LED進(jìn)行并聯(lián)而不是串聯(lián)。要確保LED電流穩定，可通過(guò)附加電流源或電阻。對電流源進(jìn)行匹配，確保LED之間的電流差異微乎其微。當精確度處于次要地位時(shí)，最好使用電阻來(lái)減少連接數量并降低復雜度。電荷泵的主要缺點(diǎn)在于其效率。開(kāi)關(guān)和電容器的數量決定了電荷泵的乘數N。此比例通常為1.5 或2。下列簡(jiǎn)單的方程給出了理想效率的算法：

　　實(shí)際上，Vout 不可能等于N.Vin，因為確保內部電路正確偏置的最小壓降在于驅動(dòng)器本身，但是有些制造商聲稱(chēng)效率可以高達95%。當分析數據表時(shí)，值得注意的是表中的值是最優(yōu)值。除非輸入電壓完全符合最優(yōu)條件，否則需要在參數曲線(xiàn)上檢查最壞情況。比如，圖2顯示了電感升壓裝置 (此處為NCP5006) 與有兩個(gè)乘數的電荷泵之間的效率差別。
如上所述，驅動(dòng)器限制電源電壓通常為5.5V或6V，這在一些應用中是極為重要的限制。幸好某些電感升壓裝置與電感器不同，無(wú)需連接到同一個(gè)電源上，如NCP5006-NCP5007。電路限制電源電壓為5.5V，但是功率開(kāi)關(guān)最高可以維持22V。由于電路的內部架構不同，因此可以采用應用中的低壓穩壓源對其進(jìn)行供電，而電感器則需連接到更高的電池電壓上。

其中，一個(gè)重要的參數是LED驅動(dòng)器產(chǎn)生的噪聲。因為電容器要進(jìn)行充放電，所以電荷泵是大電流毛刺的來(lái)源。如欲減少這種影響，則必須進(jìn)行高質(zhì)量的輸入濾波。由于存在電感，電感升壓裝置會(huì )引起電磁干擾(EMI)。通常情況下，可變頻率的干擾少一些，但是頻率值取決于工作條件。系統設計人員通常偏好稍高的EMI水平，但使用固定頻率。

使用不同LED驅動(dòng)器拓撲結構可獲得的典型參數值。很明顯，可以找到因某個(gè)參數而超出這些性能的器件，但是此表旨在于幫助工程人員識別可以滿(mǎn)足一系列要求的電路類(lèi)型。