《電子技術應用》
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低壓電池供電仍是LED 驅動器的主流應用
摘要: 近年來,白光LED在照明領域成為越來越重要的創新產品。出眾的使用壽命及光效率使白光LED在快速增長的應用產品中,成為客戶首選的解決方案。集成電路制造商已開發出多種解決方案,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驅動器拓撲結構。雖然也可使用高壓交流電源驅動LED,但是低壓電池供電系統仍然是主流應用方案。因此,本文將著重關注后一種類型的驅動器。
Abstract:
Key words :

  引言
  近年來,白光LED在照明領域成為越來越重要的創新產品。出眾的使用壽命及光效率使白光LED在快速增長的應用產品中,成為客戶首選的解決方案。集成電路制造商已開發出多種解決方案,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驅動器拓撲結構。雖然也可使用高壓交流電源驅動LED,但是低壓電池供電系統仍然是主流應用方案。因此,本文將著重關注后一種類型的驅動器。

 

  驅動器比較
  在介紹驅動器工作原理之前,讓我們簡單了解一下LED的一些基本特性。發射光與通過發光二極管的電流量成線性正比關系。因此,嚴格控制正向電流對于獲得所需的光發射而言極為重要。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系與溫度及工藝有關,所以在 LED上施加電壓會導致電流輕微失控。因此,驅動LED的最佳方法是在電流模式中進行操作。
  LED驅動器的選擇范圍很廣,但其目標應用數量有限。彩屏手機的廣泛使用推動了白光LED的生產。白光LED被視為顯示屏背光的最佳解決方案。因此,驅動器首先開發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,連接到一個驅動器的LED數量直接取決于LCD的尺寸。很多時候,LED的使用數量為3~5個,但是對于大型顯示屏,可使用多達10個 LED。第三個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器的關鍵因素。第二種電路類型是閃光燈,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個到4個不等。如果不需要超過500mW 的電氣功率,則顯示屏背光電路有極大的選擇空間。一般來說從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點在于,僅需使用一個功率開關即可產生足夠電壓,以串聯LED。沒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行有效控制,確保穩定的電流通過與LED串聯的檢測電阻。這種電路的特點是效率較高。例如,NCP5006在輸出電壓為22V的情況下可以實現高達90%的效率。當然,實現這些卓越特性也要付出代價,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。

 

不同的拓撲結構圖

 

  電荷泵用電池電壓對電容器進行充電,然后用電氣方法對電容器電壓進行“存儲”,提供高于電源電壓的輸出電壓,需要使用數個開關對電容器進行正確連接。內部復雜度有所提高,但外部元件可能較小。電荷泵是一個電壓源,其數值取決于電容和開關數量。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進行并聯而不是串聯。要確保LED電流穩定,可通過附加電流源或電阻。對電流源進行匹配,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,最好使用電阻來減少連接數量并降低復雜度。電荷泵的主要缺點在于其效率。開關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。下列簡單的方程給出了理想效率的算法:

 

理想效率

 

  實際上,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器本身,但是有些制造商聲稱效率可以高達95%。當分析數據表時,值得注意的是表中的值是最優值。除非輸入電壓完全符合最優條件,否則需要在參數曲線上檢查最壞情況。比如,圖2顯示了電感升壓裝置 (此處為NCP5006) 與有兩個乘數的電荷泵之間的效率差別。
  如上所述,驅動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,無需連接到同一個電源上,如NCP5006-NCP5007。電路限制電源電壓為5.5V,但是功率開關最高可以維持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行供電,而電感器則需連接到更高的電池電壓上。

電感升壓裝置 (此處為NCP5006) 與有兩個乘數的電荷泵之間的效率差別


  其中,一個重要的參數是LED驅動器產生的噪聲。因為電容器要進行充放電,所以電荷泵是大電流毛刺的來源。如欲減少這種影響,則必須進行高質量的輸入濾波。由于存在電感,電感升壓裝置會引起電磁干擾(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。

  下表1中列出了使用不同LED驅動器拓撲結構可獲得的典型參數值。很明顯,可以找到因某個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足一系列要求的電路類型。

使用不同LED驅動器拓撲結構可獲得的典型參數值

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