白光LED驱动器的选择策略和设计实例.doc

白光LED驱动器的选择策略和设计实例德州仪器本文针对如何选择正确的白光LED驱动器，介绍了电感式驱动器和电荷泵驱动器、它们的局限以及如何权衡考虑。作者还讨论了如何评估白光LED驱动器的典型特性，并提供了外部元器件选择指导以及实际的设计范例和布局考虑。 今日的许多便携式消费电子产品都有显示屏幕，例如移动电话、PDA和MP3播放机等，虽然屏幕的种类和大小通常是根据应用决定，但设计工程师必须负责为它设计电源和背光电路。白光LED是便携式消费电子产品目前最常采用的背光方案选择。 驱动白光LED的主要目标是产生正向电流通过器件，这可采用恒压源或恒流源来实现。图1是成本最低的解决方案，它将白光LED串联一个镇流电阻(RB)，再于电路的两端加上恒压源。然而这种方法有其缺点，镇流电阻会限制通过的电流，白光LED的非线性V-I曲线也让这种方法的稳流能力非常差；此外，只要外加电压或白光LED的正向电压(VF)有任何变动，白光LED的电流都会改变。当额定正向电压为3.6 V时，会有20mA电流通过图1的白光LED，若温度或工艺改变让此电压变为4.0V(仍在正常的3V至4V容差范围内)，正向电流就会下降至14mA；换言之，正向电压只要改变11%，正向电流就会出现30%的大幅度变动。这种白光LED电流的极端改变会影响显示器亮度，这是许多应用无法接受的。 比较理想的白光LED驱动方式是采用恒流源，它能避免白光LED正向电压改变而造成的电流变动，即使用可控制的恒定正向电流，就能提供可控制的恒定显示亮度。恒流源的产生非常简单，控制器不需将电源输出稳压，而是如图2所示，直接针对电流感测电阻的两端电压进行稳压，此时通过白光LED的电流是由电源供应的参考电压值和电流感测电阻值来决定。绝大多数显示器都需要多个白光LED，若设计人员要灵活地驱动多个白光LED，他们应将所有白光LED串联，确保每颗白光LED的电流都相同。若要以并联方式推动白光LED，每个白光LED都必须串联一个镇流电阻，避免通过它们的电流出现差异，但是这些电阻也会浪费功率，降低电路效率。 电感式驱动器和电荷泵驱动器的比较 所有专为驱动白光LED而设计的IC都提供恒定电流，其中绝大多数是基于电感或电荷泵的解决方案，这两种解决方案各有其优缺点。电荷泵解决方案或称为开关电容解决方案，利用分立电容将电源从输入端传送至输出端，整个过程不需使用任何电感，所以是受欢迎的解决方案。电荷泵电源的体积很小，设计也很简单，选择元件时通常只需根据元件规格从中挑选适当的电容。电荷泵解决方案的主要缺点是它只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵IC的转换比率最多只能达到输入电压的两倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的两倍，因此若想利用电荷泵驱动一个以上的白光LED，就必须采用并联驱动的方式。利用只能对输出电压进行稳压的电荷泵驱动多个白光LED时，必须使用镇流电阻来防止电流分配不平均，但这些电阻会减少电池的寿命。 电感式解决方案体积小、效率高，适合为绝大多数消费类产品提供更长的电池使用时间。本文将会证明，设计人员可以调整电感式转换器的效率，以便在体积和效率之间取得最佳平衡。由于大多数电感式解决方案都是采用升压转换器(图2)，它们最多能驱动六个或七个串联的白光LED，这种做法有其优点，因为许多显示器内置的白光LED都采用串联模式；就算并未将白光LED内置于显示器屏幕中，大多数工程师还是会将它们串联在一起。背光驱动器和白光LED通常会在不同的电路板上，因此必须将电源从一块电路板连接至另一块电路板。驱动五个并联的白光LED共需使用连接器的六个管脚，驱动串联在一起的五个白光LED只需要两个管脚。 白光LED驱动器的特性 许多应用的屏幕需要背光调整功能，例如PDA等产品的使用者就能调整屏幕亮度，以适应周围环境，还有许多产品的处理器会在系统闲置一段时间后，自动降低或切断背光电源。调光功能的实现方法可分为两种：模拟和PWM。采用模拟调光技术时，只需将白光LED的电流降至最大值的一半，就能让屏幕亮度减少50%。这种方法的缺点包括：白光LED色移；需要模拟控制信号。PWM调光技术在减少的电流占空周期内提供完整电流给白光LED，例如要将亮度减半，只需在50%的占空周期内提供完整电流。PWM信号频率通常会超过100Hz，以确保这个脉冲电流不会被眼睛察觉，PWM频率的最大值需视电源的启动和反应时间而定；为了得到最大灵活性，同时让整合更容易，白光LED驱动器最高应能接受50kHz的PWM频率。调光信号通常来自系统处理器的GPIO接脚。 在出现开路故障的情况下，恒定电流的白光LED驱动器需要过电压保护。如上所述，白光LED和驱动器通常在不同的电路板上，因此连接器的管脚松脱就会造成开路故障，另一个可能性则是白光LED出现造成开路。无论是那一种情形，驱动器为了提供恒定电流，都会增加它的输出电压，此时若无保护电路，输出电压很快就会升高，对IC或输出电容造成损害。保护驱动器的最简单方法是选择内建过电压比较器的IC，并利用此功能来限制最大输出电压，例如TPS61043就具备这项功能。齐纳二极管也可用来限制最大输出电压，然而这种做法的效率很低，因为在故障情况下，会有预先设定的最大电流通过齐纳二极管。 白光LED驱动器电源常被忽略的一个特性就是负载切断。在电源关掉时，负载切断可从电气上将白光LED与输入源切断。这项特性在两种情形下非常重要：关机和PWM调光。如同图2所示，就算升压转换器的电源被切断，负载仍会经由电感和逆向电压保护二极管(catch diode)连接到输入端。由于输入电源仍连接至白光二极管，就算电源停止工作，依然会有很小的电流继续通过。便携式产品可能有高达95%的时间处于待机状态，就算泄漏电流非常小，电池寿命也会大幅减少。负载切断特性对于PWM调光也很重要，因为在调光停止期间，电源虽然不供应电流，但输出电容却仍连接至LED，若没有负载切断特性的协助，输出电容就会通过LED继续放电，直到调光脉冲让电源进入导通状态。由于输出电容在每个调光周期刚开始时都处于部分放电状态，电源也必须在周期开始时对这些输出电容进行充电，使得每个周期都会出现涌入电流尖波，这个涌入电流不但会降低系统效率，还会在输入电源线路上造成电压瞬时变动。有了负载切断功能，LED与电路的联机就会切断，当电源供应停止导通时就不会有泄漏电流，输出电容也能在PWM调光周期之间保持满电位状态。负载切断电路的最佳实现方法是在LED和电流感测电阻之间加入MOSFET晶体管，因为将MOSFET晶体管加在电流感测电阻和地线之间会造成额外的电压降，此电压还会成为输出电流设定点的误差电压。 设计实例 这里以设计一部多功能手机屏幕的白光LED驱动器为例，电源是由输入电压在2.7V至4.2V之间的锂电池供应。手机屏幕内置四个串联的白光LED，每个的最大正向电流为20mA，这种设计需要20mA最大输出电流和44V=16V电压。该手机规格要求有屏幕亮度调整功能，手机在闲置一段时间后，能够逐渐降低屏幕亮度。系统处理器通常是由OMAP器件，负责提供PWM调光功能所需的数字信号。电池寿命是主要考虑因素，因此效率应尽量提高。手机屏幕大约有98%的时间处于待机模式，因此需要真正的负载切断功能，以便延长电池的使用时间。手机受到体积限制，需要小型的集成化解决方案，TPS61043能满足这些要求，它是电感式升压转换器，内建功率FET晶体管，也是专为白光LED而设计的驱动IC。TPS61043还提供负载切断、过电压保护和PWM调光功能，1MHz开关频率让此IC能够使用体积最小的外部元器件。 主要的工程挑战在于选择正确的外部元件，同时完成适当的电路布局。电流感测电阻是最容易挑选的元件，正确的电阻值是由IC参考电压0.252V除以所要求的白光LED最大电流0.02A来决定，此处相当于12.6，接着只需选择最接近这个值的标准电阻即可。注意电阻的功耗只有5mW，因此可选择0402型电阻器以节省电路板面积。 选择电感 选择适当的电感不仅对确保设计符合效率要求很重要，也能配合有限的电路板面积。电感的选择必需考虑三项参数：电感值、饱和电流和线圈阻抗(DCR)。如同所有的开关式转换器一样，选择电感就是在效率和电路板面积间做出取舍，较大的电感值可提供更小的阻抗、更高的效率和更大的饱和电流额定值。较小的电感则使用较少的电路板面积，饱和电流额定值也较小，但线圈阻抗却比较大，因此整体效率较低。 在传统的升压转换器中，输出电感和电容会决定转换器的反馈回路是否稳定，因此被选中的电感、电容和补偿网络零件都必须经过测试，确保电路能够稳定工作。TPS61043包含先进的控制电路，无论使用多大的电感值，它都能确保电源供应稳定，因此不必考虑反馈补偿的问题。在这个控制拓扑中，开关频率Fs是由电感值、输入电压、输出电压和负载电流所决定，其计算公式如下： 其中： Iout是白光LED的电流 (最大值0.02 A)； Vout是输出电压 (最大值16 V)； Vin是输入电压 (最小值2.7 V)； VF是逆向电压保护二极管的正向电压，此处假设为0.4 V Ilim是峰值开关电流(总是0.4 A，由控制拓扑决定) Lout是电感值 既然体积是重要的设计参数，电源当然应使用很高的开关频率，但由于电感式转换器的开关损耗会受到开关频率影响，因此频率越高通常就代表效率越低。同样的，较低的开关频率可以提供较高效率。不幸的是，要如何选择最适当的开关频率，才能将转换器开关损耗减至最少，这个问题目前仍没有任何最终方程式可供求解。典型的设计步骤是选择一个接近最大可能频率的频率，设计转换器，然后重新调整开关频率和测量工作效率，接着不断重复整个过程，直到他们发现效率令人满意为止。将开关频率任意设为700kHz，利用公式1可计算出电感值为4.8H，由于4.7H是业界标准的电感值，我们将它的电感值设为4.7H。 无论电源或负载的状况如何，TPS61043控制拓扑都会将电感的峰值电流设为400mA，因此我们将电感的饱和电流设为400mA。第三项参数是线圈阻抗，它会决定电感的体积，并且对设计的整体效率造成重大影响。muRata LQH32CN4R7是饱和电流为650mA的4.7H电感，故能符合我们的要求。这个电感的线圈阻抗为150m，体积则只有3.22.51.55厘米。 选择输入和输出电容 输入电容帮助稳定电源的输入电源阻抗，这在电池供电型系统中极为重要，因为在电源的开关频率下，所有电池都会有很高的阻抗。若没有输入电容，开关式电源以脉冲形式自输入端汲取电流时，就会在输入电源线路上产生很大的电压纹波，进而冲击到系统的其余部份。TPS61043建议使用4.7F的陶瓷输入电容，但设计人员可以使用更大的电容值，没有任何限制。较小的电容值可以节省电路板面积和成本，但会增加输入的纹波电压，在不增加输入电容的前提下，减少输入纹波电压的方法之一是提高驱动器的开关频率，这可通过减少电感值来完成；在较高的开关频率下，电容阻抗变得较小，这能降低纹波电压。 开关式升压转换器的输出电容会直接影响输出纹波电压，但输出电压对于白光LED驱动电路并不重要，因此这个设计可以使用低至0.1F的输出电容。这么小的输出电容确实会造成很大的纹波电压，它会让白光LED出现很大的纹波电流。幸好纹波电流并不会对白光LED造成什么影响，显示器亮度是由白光LED平均电流决定，任何频率在100Hz以上的纹波电流都不会被眼睛察觉。假设白光LED电流波形的波峰为30mA，波谷为10mA(平均20mA)，那么它所产生的显示器亮度会和20mA直流电流完全相同。输出电容最好是使用陶瓷电容，而且它的电压额定值应该高于电源的工作电压，我们的输出电压大约是16V，因此可以使用16V的电容，这是因为就算在故障情形下，输出电压也只会上升至19 V，而陶瓷电容在两倍的额定电压下才会烧坏，所以16 V的输出电容仍在可接受范围内。对于寿命极长或可靠性很高的产品，最好使用电压额定值较高的输出电容。 电源的逆向电压保护二极管(图2中的D1)很容易选择，它需要和电感相同的峰值电流额定值，逆向电压额定值必须大于LED两端的电压。正向电压很小的肖特基二极管可以提供最高效率。 布局布线 选择正确的IC，并为它挑选支持元件，都只是设计过程的一部份。电路必须正确布局，让它能正常工作，而且不会产生过多的系统噪声。图6是最后得到的白光LED驱动器电气原理图以及重要的电压和电流波形，图7则是典型的电路板布局布线。在供电电源中，最重要的布局约束条件就是从D1经过输出电容到地线，再进入IC的地线管脚，然后从IC的SW接脚离开，最后再回到D1，这个回路应该越短越好。C1的位置必须靠近L1，以提供波形A所示的脉冲电流，此电流从C1出发，经过L1到地线，然后再回到