白光LED電源系統電路模塊設計

　　隨著(zhù)彩色顯示屏在便攜市場(chǎng)（如手機、PDA 以及超小型 PC）中的廣泛采用，對于一個(gè)單色 LCD 照明而言，就需要一個(gè)白色背光或側光。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(lái)是背光應用不錯的選擇。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(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節 LED 亮度的可能性。對于具有無(wú)線(xiàn)功能的便攜式系統而言，可接受的 EMI 性能成為我們關(guān)注的另一個(gè)焦點(diǎn)。當高效率為我們選擇電源最為關(guān)心的標準時(shí)，升壓轉換器就是一款頗具吸引力的解決方案，而其他常見(jiàn)的解決方案是采用充電泵轉換器。在本文中，我們分別對用于驅動(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)很重要的設計考慮因素是調節 LED 亮度的控制方法，其亮度不但會(huì )影響整個(gè)轉換器的效率，而且還有可能會(huì )出現白光 LED 的色度變換。下面將介紹一款使用一個(gè) PWM 信號來(lái)控制其亮度的簡(jiǎn)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(gè)優(yōu)勢就是其更高的效率。

　　可驅動(dòng)白光LED 的標準升壓轉換器

　　圖 中的升壓轉換器被配置為一個(gè)可驅動(dòng) 4白光 LED 的電流源。該器件將檢測電阻器 Rs 兩端的電壓調節至 1.233V，從而得到一個(gè)定義的 LED 電流。

　　本結構中使用的升壓轉換器在 1.233V 電流檢測電阻器兩端將有一個(gè)壓降，而檢測電阻器的功耗會(huì )降低該解決方案的效率。因此，必須降低檢測和調節該 LED 電流的壓降。除此之外，對于許多應用來(lái)說(shuō)，調節 LED 電流和 LED 亮度的可能性也是必須的。圖 5 中的電路實(shí)現了這兩個(gè)要求。

　　圖 5 通過(guò)降低電流感應電壓來(lái)提高效率

　　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(kāi)連接或出現高阻抗。一個(gè)具有 3.3V 振幅的 PWM 信號被施加到該轉換器的反饋電路上，同時(shí)使用了一個(gè)低通濾波器 Rf 和 Cf，以過(guò)濾PWM 信號的 DC 部分并在 R2 處建立一個(gè)模擬電壓 （Vadj）。通過(guò)改變所施加 PWM 信號的占空比，使該模擬電壓上升或下降，從而調節該轉換器的反饋電壓，此舉會(huì )增加或降低轉換器的 LED 電流。通過(guò)在 R2 處施加一個(gè)高于轉換器反饋電壓 （1.233V）的模擬電壓，可以在檢測電阻器兩端實(shí)現一個(gè)更低的感應電壓。對于一個(gè) 20mA　LED 電流而言，感應電壓從 1.233V 下降到了 0.98V（對于 10mA LED 電流而言，甚至會(huì )降至 0.49V）。

　　當使用一個(gè)具有 3.3V 振幅的 PWM 信號時(shí)，必須要將控制 LED 亮度的占空比范圍從 50% 調整到 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)一步降低感應電壓專(zhuān)用 LED 驅動(dòng)器減少了外部組件數量圖 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 信號就可以對 LED 電流進(jìn)行控制。

　　圖 8 白光 LED 恒流驅動(dòng)器 IC

　　對EMI加以控制

　　由于這兩款解決方案均為運行在高達 1MHz 轉換頻率上的開(kāi)關(guān)轉換器，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(chǎng)會(huì )引起 EMI 的問(wèn)題了。但是，充電泵解決方案的飛跨電容通過(guò)在高頻率時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉開(kāi)關(guān)來(lái)持續地充電和放電。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。因此飛跨電容應該盡可能地靠近 IC 連接，且線(xiàn)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（尤其是出現在輸入端的電流峰值）。

　　如果使用的是一款升壓轉換器，則屏蔽電感器將擁有一個(gè)更為有限的磁場(chǎng)，從而實(shí)現更好的 EMI 性能。應對轉換器的轉換頻率加以選擇以最小化所有對該系統無(wú)線(xiàn)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(kāi)關(guān)或 AC 電流的線(xiàn)跡保持盡可能小以最小化 EMI 放射，如圖 11 所示。

　　圖 11 承載開(kāi)關(guān)電流的節點(diǎn)和線(xiàn)跡應保持最小化

　　粗線(xiàn)跡應先完成布線(xiàn)，且必須使用一個(gè)星形接地或接地層以最小化噪聲。輸入和輸出電容應為低 ESR 陶瓷電容以最小化輸入和輸出電壓紋波。在大多數應用中，與充電泵相比，升壓轉換器顯示出了更高的效率。使用一個(gè)升壓轉換器（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。至少需要根據總體解決方案的尺寸對效率進(jìn)行評估。在 EMI 性能方面，對升壓轉換器的設計還需要考慮更多因素和對更多相關(guān)知識的了解。

　　總之，對于許多系統而言，尤其在器件擁有一個(gè)從 1.0 到 1.5 的靈活轉換增益的時(shí)候，充電泵解決方案將是一個(gè)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 的轉換增益時(shí)，這樣一款解決方案將實(shí)現絕佳的效率。在為每個(gè)應用選擇升壓轉換器或充電泵解決方案時(shí)，需要充分考慮便攜式系統的關(guān)鍵要求。如果效率是關(guān)鍵的要求，則升壓轉換器將為更適宜的解決方案。