鋰電池供電、低壓高亮度(HB) LED解決方案

　　摘要：高亮度(HB) LED是電池備份照明中的優(yōu)選方案，特別是應急照明設備。然而，將高效率LED光源與高容量、單節Li+電池組合在一起時(shí)會(huì )面臨諸多挑戰。本應用筆記介紹了利用MAX16834 HB LED驅動(dòng)器從低壓電源產(chǎn)生HB LED驅動(dòng)的實(shí)用方案。

　　　概述

　　高亮度(HB) LED目前已廣泛用于各種照明設備，其光輸出量(發(fā)光效率)通常以流明/瓦為單位計量，已經(jīng)超過(guò)了熒光燈的發(fā)光效率?？煽啃约鞍踩匦允沟肏B LED成為電池備份照明系統(應急照明等)的優(yōu)選方案。

　　隨著(zhù)LED制造技術(shù)以及電池技術(shù)的進(jìn)步，目前最高容量的鋰離子(Li+)電池能量密度可以達到750kJ/kg左右;鎳氫(NiMH)電池的能量密度略低一些，大約為200kJ/kg (而汽油的能量密度為44MJ/kg)。單節Li+電池的端電壓約為3.7V，要想直接驅動(dòng)多個(gè)串聯(lián)的LED，則需把多節電池串聯(lián)在一起，但這會(huì )帶來(lái)功率分配等設計問(wèn)題，用戶(hù)也往往首選單節電池供電的方案。

　　采用高容量、單節Li+電池驅動(dòng)高效率LED光源時(shí)，由于電池電壓僅為3V至4V，需要解決電源轉換問(wèn)題。本應用筆記介紹了Maxim MAX16834 HB LED驅動(dòng)器從低壓電源產(chǎn)生HB LED燈串驅動(dòng)的解決方案。

　　采用連續boost模式驅動(dòng)LED燈串時(shí)效率低下

　　以常見(jiàn)的boost配置拓撲為例，例如：標準的MAX16834 HB LED驅動(dòng)器評估板(EV) MAX16834EVKIT (圖1)。

　　圖1. 常見(jiàn)的HB LED驅動(dòng)器boost配置

　　為了向開(kāi)關(guān)MOSFET提供足夠的柵極驅動(dòng)電壓，MAX16834要求工作電壓至少為4.5V，以便MOSFET進(jìn)入低阻導通狀態(tài)。對于采用n溝道FET工作在boost模式的HB LED驅動(dòng)器，這者要求很常見(jiàn)。

　　單節Li+電池的驅動(dòng)電壓可能低至3V，無(wú)法支持電路中FET及其它電路的正常工作。這就需要將電池電壓提升到較高電壓，器件即可正常工作。

　　首先，驅動(dòng)電路提升電池電壓用于控制器供電，然后再為L(cháng)ED燈串提供所要求的驅動(dòng)電流，這種架構會(huì )在一定程度上增大功耗，進(jìn)而影響電池的使用壽命。因為總體效率是每一級效率的乘積，例如，如果升壓效率為70%，而控制級的效率為70%，那么總體效率只有大約50%。

　　本文介紹的方案采用低成本、低功耗boost轉換器為評估板中的HB LED驅動(dòng)器提供穩定的5V電源。同時(shí)，由電池直接驅動(dòng)FET boost轉換器。這種方式下，只對電池進(jìn)行一級升壓，即可為L(cháng)ED燈串供電。

　　Boost轉換器同時(shí)為L(cháng)ED燈串和FET供電

　　MAX16834是一款通用的HB LED驅動(dòng)器，允許通過(guò)模擬和脈寬調制(PWM)進(jìn)行調光。器件可實(shí)現升壓、升/降壓、SEPIC和高邊buck拓撲。除了驅動(dòng)由開(kāi)關(guān)控制器控制的n溝道功率MOSFET開(kāi)關(guān)，器件還可驅動(dòng)n溝道PWM調光開(kāi)關(guān)，以實(shí)現LED PWM調光。器件集成了寬范圍調光、固定頻率HB LED驅動(dòng)所需的全部電路。

　　需要對MAX16834EVKIT進(jìn)行一些更改，該設計中使用了MAX8815A boost轉換器。其評估板默認設置為5V輸出，無(wú)需更改標準電路(圖2)。

　　圖2. MAX8815AEVKIT提供所需的5V輸出，無(wú)需更改電路

　　方案設置

　　整個(gè)電路用于驅動(dòng)6只Seoul Semiconductor P7 LED組成的燈串，可提供高達1A的驅動(dòng)電流。雖然LED可以通過(guò)大于1A的電流，但標準MAX16834評估板的最大電流為1A，足以支持設計分析。圖3所示為HB LED驅動(dòng)器和升壓轉換器配置。

　　圖3. MAX16834 HB LED驅動(dòng)器和MAX8815A升壓轉換器

　　測量輸入和輸出的電流、電壓，得到5V、4V和3V電源下系統的性能參數，這些數據模擬單節Li+電池的預期電壓范圍。測量輸入和輸出電流需要獨立校準的數字電壓表(DVM)，當然也有替代方案?？衫肕AX9938電流檢測放大器評估板測量輸入電流，采用非常小的檢流電阻，將其引入的測量誤差降至最小。標準分流器為50mΩ、4端電阻，采用6個(gè)100mΩ電阻并聯(lián)在其兩端，得到12.5mΩ檢流電阻(圖4)。

　　圖4. MAX9938EV標準分流器為50mΩ、4端電阻(R1)。利用6個(gè)100mΩ電阻并聯(lián)R1，得到12.5mΩ檢流電阻。

　　因此，評估板從2.5V/A轉換為625mV/A，這樣，即可用同一DVM測量所有電壓。

　　利用同一數字電壓表(DVM)，通過(guò)測量評估板上0.1Ω串聯(lián)電阻的電壓，即可確定輸出電流。這一方法確保所有電流、電壓讀數均通過(guò)電壓測量確定。使用同一DVM完成所有測量，從本質(zhì)上抵消了測