【導讀】由于為白光LED 供電的最佳選擇是選用一個恒流電源,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。本文就為大家提供白光LED電源系統(tǒng)電路模塊設計。
隨著彩色顯示屏在便攜市場(如手機、PDA 以及超小型 PC)中的廣泛采用,對于一個單色 LCD 照明而言,就需要一個白色背光或側光。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(jié) LED 亮度的可能性。對于具有無線功能的便攜式系統(tǒng)而言,可接受的 EMI 性能成為我們關注的另一個焦點。當高效率為我們選擇電源最為關心的標準時,升壓轉換器就是一款頗具吸引力的解決方案,而其他常見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系。另外一個很重要的設計考慮因素是調節(jié) LED 亮度的控制方法,其亮度不但會影響整個轉換器的效率,而且還有可能會出現白光 LED 的色度變換。下面將介紹一款使用一個 PWM 信號來控制其亮度的簡單的解決方案。與其他標準解決方案相比,該解決方案的另外一個優(yōu)勢就是其更高的效率。
可驅動白光LED 的標準升壓轉換器
圖 中的升壓轉換器被配置為一個可驅動 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(jié)至 1.233V,從而得到一個定義的 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壓降,而檢測電阻器的功耗會降低該解決方案的效率。因此,必須降低檢測和調節(jié)該 LED 電流的壓降。除此之外,對于許多應用來說,調節(jié) LED 電流和 LED 亮度的可能性也是必須的。圖 5 中的電路實現了這兩個要求。
圖 5 通過降低電流感應電壓來提高效率
在圖 5 中,一個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 LED 斷開連接或出現高阻抗。一個具有 3.3V 振幅的 PWM 信號被施加到該轉換器的反饋電路上,同時使用了一個低通濾波器 Rf 和 Cf,以過濾PWM 信號的 DC 部分并在 R2 處建立一個模擬電壓 (Vadj)。通過改變所施加 PWM 信號的占空比,使該模擬電壓上升或下降,從而調節(jié)該轉換器的反饋電壓,此舉會增加或降低轉換器的 LED 電流。通過在 R2 處施加一個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現一個更低的感應電壓。對于一個 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,甚至會降至 0.49V)。
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當使用一個具有 3.3V 振幅的 PWM 信號時,必須要將控制 LED 亮度的占空比范圍從 50% 調整到 100%,以得到一個通常會高于 1.233V 反饋電壓的模擬電壓。在 50% 占空比時,模擬電壓將為 1.65V,從而產生一個 20mA、0.98V 的感應電壓。將占空比范圍限制在 70%~100% 之間會進一步降低感應電壓專用 LED 驅動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PWM 信號就可以對 LED 電流進行控制。
圖 8 白光 LED 恒流驅動器 IC
對EMI加以控制
由于這兩款解決方案均為運行在高達 1MHz 轉換頻率上的開關轉換器,且可以快速的上升和下降,因此無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會引起 EMI 的問題了。但是,充電泵解決方案的飛跨電容通過在高頻率時開啟和關閉開關來持續(xù)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,且線跡要非常短以最小化EMI 放射。必須使用一個低 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更為有限的磁場,從而實現更好的 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(tǒng)無線部分產生的干擾。PCB 布局將對 EMI 產生重大影響,尤其要將承載開關或 AC 電流的線跡保持盡可能小以最小化 EMI 放射,如圖 11 所示。
圖 11 承載開關電流的節(jié)點和線跡應保持最小化
粗線跡應先完成布線,且必須使用一個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知識的了解。
總之,對于許多系統(tǒng)而言,尤其在器件擁有一個從 1.0 到 1.5 的靈活轉換增益的時候,充電泵解決方案將是一個不錯的解決方案。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,這樣一款解決方案將實現絕佳的效率。在為每個應用選擇升壓轉換器或充電泵解決方案時,需要充分考慮便攜式系統(tǒng)的關鍵要求。如果效率是關鍵的要求,則升壓轉換器將為更適宜的解決方案。