LED驅動(dòng)器探討和實(shí)用解決方案

　　LED是由電流驅動(dòng)的器件，其亮度與正向電流呈比例關(guān)系。眾多的便攜電子產(chǎn)品均需要背景燈LED驅動(dòng)器解決方案，其具有以下特性：直流控制、高效率、PWM調光、過(guò)壓保護、負載斷開(kāi)、小型尺寸以及簡(jiǎn)便易用。本文將探討每種特性以及實(shí)現這些特性的方法，最后將說(shuō)明具備每種特性的典型電路。

　　直流控制

　　LED是由電流驅動(dòng)的器件，其亮度與正向電流呈比例關(guān)系。有兩種方法可以控制正向電流。第一種方法是采用LED V-I曲線(xiàn)來(lái)確定產(chǎn)生預期正向電流所需要向LED施加的電壓。

　　其實(shí)現方法一般采用一個(gè)電壓電源和一個(gè)鎮流電阻器。圖1說(shuō)明了這種方法。如下所述，此方法有多項不足之處。LED正向電壓的任何變化都會(huì )導致LED電流的變化。如果額定正向電壓為3.6V，則圖1中LED的電流為20mA。

　　如果電壓變?yōu)?.0V，這是溫度或制造變化引起的特定壓變，那么正向電流則降低到14mA。正向電壓變化11％會(huì )導致更大的正向電流變化，達30％。另外，根據可用的輸入電壓，鎮流電阻的壓降和功耗會(huì )浪費功率和降低電池使用壽命。

圖1：帶鎮流電阻的電壓電源導致效率降低和正向電流失配。

　　第二種方法、也是首選的LED電流調整方法是利用恒流電源來(lái)驅動(dòng)LED。恒流電源可消除正向電壓變化所導致的電流變化。因此可產(chǎn)生恒定的LED亮度，無(wú)論正向電流如何變化。產(chǎn)生恒流電源很容易。只需要調整通過(guò)電流檢測電阻器的電壓，而不用調整電源的輸出電壓。圖2說(shuō)明了這種方法。電源參考電壓和電流檢測電阻器值決定了LED電流。在驅動(dòng)多個(gè)LED時(shí)，只需把它們串聯(lián)就可以在每個(gè)LED中實(shí)現恒定電流。驅動(dòng)并聯(lián)LED需要在每個(gè)LED串中放置一個(gè)鎮流電阻，這會(huì )導致效率降低和電流失配。

圖2：驅動(dòng)LED的恒流電源。

　　高效率

　　便攜式應用中電池使用壽命是至關(guān)重要的。LED驅動(dòng)器如果實(shí)用，就必須具備高效性。LED驅動(dòng)器的效率測量與典型電源的效率測量不同。典型電源效率測量的定義是輸出功率除以輸入功率。而對于LED驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，輸出功率并非相關(guān)參數。重要的是產(chǎn)生預期LED亮度所需要的輸入功率值。這可以簡(jiǎn)單地通過(guò)使LED功率除以輸入功率來(lái)確定。請注意：如果這樣定義效率的話(huà)，則電流檢測電阻器中的功耗會(huì )導致電源功率耗散。通過(guò)圖3所示的公式，我們可以看出較小的電流傳感電壓會(huì )產(chǎn)生較高效率的LED驅動(dòng)器。圖4說(shuō)明了選用0.25V參考電壓的電源與選用1V參考電壓的電源相比，二者的效率提高情況。較低的電流傳感電壓電源更為有效，無(wú)論輸入電壓或LED電流如何，只要其他條件相同，較低的參考電壓都可以提高效率并延長(cháng)電池的使用壽命。

LED驅動(dòng)器效率顯示了電流檢測電阻器損耗的重要性。

　　PWM調光

　　許多便攜式LED應用都需要進(jìn)行光度調節。在LCD背光等應用中，調光功能可提供亮度及對比度調節。我們可采用兩種調光方法：模擬與PWM。利用模擬調光，通過(guò)向LED施加50％的最大電流可實(shí)現50％的亮度。這種方法的缺點(diǎn)是會(huì )出現LED顏色偏移并且需要采用模擬控制信號，因此使用率一般不高。以更低忙閑度向LED施加滿(mǎn)電流可實(shí)現PWM調光。在50％忙閑度施加滿(mǎn)電流可達到50％亮度。為確保人的肉眼看不到PWM脈沖，PWM信號的頻率必須高于100Hz。最大PWM頻率取決于電源啟動(dòng)與響應時(shí)間。為提供最大的靈活性以及集成簡(jiǎn)易性，LED驅動(dòng)器應能夠接受高達50kHz的PWM頻率。

　　過(guò)壓保護

　　在恒流模式中操作電源需要采用過(guò)壓保護功能。無(wú)論負載為多少，恒流電源都可產(chǎn)生恒定輸出電流。如果負載電阻增大，電源的輸出電壓也必須隨之增大。這就是電源保持恒流輸出的方法。如果電源檢測到過(guò)大的負載電阻，或者負載斷開(kāi)的話(huà)，輸出電壓可提高到超出IC或其他分立電路元件的額定電壓范圍。恒流LED驅動(dòng)器可采用多種過(guò)壓保護方法。其中一個(gè)方法是使齊納二極管與LED并聯(lián)。

圖3：低電流傳感電壓更有效。

這種方法可以將輸出電壓限制到齊納擊穿電壓和電源的參考電壓。在過(guò)壓條件下，輸出電壓會(huì )提高到齊納擊穿點(diǎn)并開(kāi)始傳導。輸出電流會(huì )通過(guò)齊納二極管，然后通過(guò)電流檢測電阻器接地。在齊納二極管限制最大輸出情況下電源可連續產(chǎn)生恒定的輸出電流。更佳的過(guò)壓保護方法是監控輸出電壓并在達到過(guò)壓分界點(diǎn)時(shí)關(guān)閉電源。如果出現故障，在過(guò)壓條件下關(guān)斷電源可降低功耗并延長(cháng)電池使用壽命。

　　負載斷開(kāi)

　　LED驅動(dòng)電源中一個(gè)經(jīng)常被忽視的功能是負載斷開(kāi)。在電源失效時(shí)負載斷開(kāi)功能可以把LED從電源斷開(kāi)。這種功能在下列兩種情況下至關(guān)重要，即斷電和PWM調光。如圖2所示，在升壓轉換器斷電期間，負載仍然通過(guò)電感器和捕獲二極管與輸入電壓連接。由于輸入電壓仍然與LED連接，即使電源已經(jīng)失效，就會(huì )繼續產(chǎn)生一個(gè)小電流。即使很小的泄漏電流也會(huì )在很長(cháng)的空閑期間極大縮短電池壽命。負載斷開(kāi)在PWM調光時(shí)也很重要。在PWM空閑期間，電源已經(jīng)失效，但是輸出電容器仍然與LED連接。

圖4：TPS61042方框圖說(shuō)明了高水平集成。

如果沒(méi)有負載斷開(kāi)功能，輸出電容器會(huì )通過(guò)LED放電，直到PWM脈沖再次打開(kāi)電源。由于電容器在每個(gè)PWM循環(huán)開(kāi)始都部分放電，一次電源必須在每個(gè)PWM循環(huán)開(kāi)始時(shí)給輸出電容器充電。因此會(huì )在每個(gè)PWM循環(huán)產(chǎn)生突入電流脈沖。突入電流會(huì )降低系統效率并在輸入總線(xiàn)上產(chǎn)生瞬時(shí)電壓。而如果具有負載斷開(kāi)功能，LED就會(huì )從電路斷開(kāi)，這樣，在電源失效時(shí)就不會(huì )存在泄漏電流，而且在PWM調光循環(huán)之間輸出電容器都是充滿(mǎn)的。實(shí)施負載斷開(kāi)電路時(shí)最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個(gè)MOSFET。在電流傳感電阻器和接地之間放置MOSFET會(huì )產(chǎn)生一個(gè)附加壓降，其在輸出電流設定點(diǎn)會(huì )把自身顯示為一個(gè)差錯。

　　簡(jiǎn)便易用

　　簡(jiǎn)便易用是相對而言的。在評估電路的簡(jiǎn)便易用性時(shí)，不但必須考慮初始設計的復雜性，而且還必須要考慮在未來(lái)進(jìn)行快速修改并把電路用于其他有不同輸入或輸出要求的程序時(shí)需要做的工作?？傊?，滯后控制器非常簡(jiǎn)便易用。滯后控制器可消除傳統電源設計中必需的復雜頻率補償功能。雖然頻率補償對于有經(jīng)驗的電源設計人員來(lái)說(shuō)是小菜一碟，但是對于新手來(lái)說(shuō)就不那么輕松了。由于最佳的補償隨輸入和輸出條件的不同而不同，傳統的電源設計不能實(shí)現針對不同操作條件的快速修改。而滯后控制器具有內在的穩定性從而在輸出/輸出條件改變時(shí)無(wú)需改變。

　　小尺寸