基于電感或電荷泵的白光LED驅動方案分析

　　今日的許多便攜式消費電子產品都有顯示屏幕，例如移動電話、PDA和MP3播放機等，雖然屏幕的種類和大小通常是根據應用決定，但設計工程師必須負責為它設計電源和背光電路。白光LED是便攜式消費電子產品目前最常采用的背光方案選擇。

　　驅動白光LED的主要目標是產生正向電流通過器件，這可采用恒壓源或恒流源來實現。圖1是成本最低的解決方案，它將白光LED串聯一個鎮流電阻(RB)，再于電路的兩端加上恒壓源。然而這種方法有其缺點，鎮流電阻會限制通過的電流，白光LED的非線性V-I曲線也讓這種方法的穩流能力非常差;此外，只要外加電壓或白光LED的正向電壓(VF)有任何變動，白光LED的電流都會改變。當額定正向電壓為3.6 V時，會有20mA電流通過圖1的白光LED，若溫度或工藝改變讓此電壓變為4.0V(仍在正常的3V至4V容差范圍內)，正向電流就會下降至14mA;換言之，正向電壓只要改變11%，正向電流就會出現30%的大幅度變動。這種白光LED電流的極端改變會影響顯示器亮度，這是許多應用無法接受的。

　　比較理想的白光LED驅動方式是采用恒流源，它能避免白光LED正向電壓改變而造成的電流變動，即使用可控制的恒定正向電流，就能提供可控制的恒定顯示亮度。恒流源的產生非常簡單，控制器不需將電源輸出穩壓，而是如圖2所示，直接針對電流感測電阻的兩端電壓進行穩壓，此時通過白光LED的電流是由電源供應的參考電壓值和電流感測電阻值來決定。絕大多數顯示器都需要多個白光LED，若設計人員要靈活地驅動多個白光LED，他們應將所有白光LED串聯，確保每顆白光LED的電流都相同。若要以并聯方式推動白光LED，每個白光LED都必須串聯一個鎮流電阻，避免通過它們的電流出現差異，但是這些電阻也會浪費功率，降低電路效率。

　　電感式驅動器和電荷泵驅動器的比較

　　所有專為驅動白光LED而設計的IC都提供恒定電流，其中絕大多數是基于電感或電荷泵的解決方案，這兩種解決方案各有其優缺點。電荷泵解決方案或稱為開關電容解決方案，利用分立電容將電源從輸入端傳送至輸出端，整個過程不需使用任何電感，所以是受歡迎的解決方案。電荷泵電源的體積很小，設計也很簡單，選擇元件時通常只需根據元件規格從中挑選適當的電容。電荷泵解決方案的主要缺點是它只能提供有限的輸出電壓范圍，絕大多數電荷泵IC的轉換比率最多只能達到輸入電壓的兩倍，這表示輸出電壓不可能高于輸入電壓的兩倍，因此若想利用電荷泵驅動一個以上的白光LED，就必須采用并聯驅動的方式。利用只能對輸出電壓進行穩壓的電荷泵驅動多個白光LED時，必須使用鎮流電阻來防止電流分配不平均，但這些電阻會減少電池的壽命。

　　電感式解決方案體積小、效率高，適合為絕大多數消費類產品提供更長的電池使用時間。本文將會證明，設計人員可以調整電感式轉換器的效率，以便在體積和效率之間取得最佳平衡。由于大多數電感式解決方案都是采用升壓轉換器(圖2)，它們最多能驅動六個或七個串聯的白光LED，這種做法有其優點，因為許多顯示器內置的白光LED都采用串聯模式;就算并未將白光LED內置于顯示器屏幕中，大多數工程師還是會將它們串聯在一起。背光驅動器和白光LED通常會在不同的電路板上，因此必須將電源從一塊電路板連接至另一塊電路板。驅動五個并聯的白光LED共需使用連接器的六個管腳，驅動串聯在一起的五個白光LED只需要兩個管腳。

　　白光LED驅動器的特性

　　許多應用的屏幕需要背光調整功能，例如PDA等產品的使用者就能調整屏幕亮度，以適應周圍環境，還有許多產品的處理器會在系統閑置一段時間后，自動降低或切斷背光電源。調光功能的實現方法可分為兩種：模擬和PWM。采用模擬調光技術時，只需將白光LED的電流降至最大值的一半，就能讓屏幕亮度減少50%。這種方法的缺點包括：白光LED色移;需要模擬控制信號。PWM調光技術在減少的電流占空周期內提供完整電流給白光LED，例如要將亮度減半，只需在50%的占空周期內提供完整電流。PWM信號頻率通常會超過100Hz，以確保這個脈沖電流不會被眼睛察覺，PWM頻率的最大值需視電源的啟動和反應時間而定;為了得到最大靈活性，同時讓整合更容易，白光LED驅動器最高應能接受50kHz的PWM頻率。調光信號通常來自系統處理器的GPIO接腳。

　　在出現開路故障的情況下，恒定電流的白光LED驅動器需要過電壓保護。如上所述，白光LED和驅動器通常在不同的電路板上，因此連接器的管腳松脫就會造成開路故障，另一個可能性則是白光LED出現造成開路。無論是那一種情形，驅動器為了提供恒定電流，都會增加它的輸出電壓，此時若無保護電路，輸出電壓很快就會升高，對IC或輸出電容造成損害。保護驅動器的最簡單方法是選擇內建過電壓比較器的IC，并利用此功能來限制最大輸出電壓，例如TPS61043就具備這項功能。齊納二極管也可用來限制最大輸出電壓，然而這種做法的效率很低，因為在故障情況下，會有預先設定的最大電流通過齊納二極管。

　　白光LED驅動器電源常被忽略的一個特性就是負載切斷。在電源關掉時，負載切斷可從電氣上將白光LED與輸入源切斷。這項特性在兩種情形下非常重要：關機和PWM調光。如同圖2所示，就算升壓轉換器的電源被切斷，負載仍會經由電感和逆向電壓保護二極管(catch diode)連接到輸入端。由于輸入電源仍連接至白光二極管，就算電源停止工作，依然會有很小的電流繼續通過。便攜式產品可能有高達95%的時間處于待機狀態，就算泄漏電流非常小，電池壽命也會大幅減少。負載切斷特性對于PWM調光也很重要，因為在調光停止期間，電源雖然不供應電流，但輸出電容卻仍連接至LED，若沒有負載切斷特性的協助，輸出電容就會通過LED繼續放電，直到調光脈沖讓電源進入導通狀態。由于輸出電容在每個調光周期剛開始時都處于部分放電狀態，電源也必須在周期開始時對這些輸出電容進行充電，使得每個周期都會出現涌入電流尖波，這個涌入電流不但會降低系統效率，還會在輸入電源線路上造成電壓瞬時變動。有了負載切斷功能，LED與電路的聯機就會切斷，當電源供應停止導通時就不會有泄漏電流，輸出電容也能在PWM調光周期之間保持滿電位狀態。負載切斷電路的最佳實現方法是在LED和電流感測電阻之間加入MOSFET晶體管，因為將MOSFET晶體管加在電流感測電阻和地線之間會造成額外的電壓降，此電壓還會成為輸出電流設定點的誤差電壓。

　　設計實例

　　這里以設計一部多功能手機屏幕的白光LED驅動器為例，電源是由輸入電壓在2.7V至4.2V之間的鋰電池供應。手機屏幕內置四個串聯的白光LED，每個的最大正向電流為20mA，這種設計需要20mA最大輸出電流和44V=16V電壓。該手機規格要求有屏幕亮度調整功能，手機在閑置一段時間后，能夠逐漸降低屏幕亮度。系統處理器通常是由OMAP器件，負責提供PWM調光功能所需的數字信號。電池壽命是主要考慮因素，因此效率應盡量提高。手機屏幕大約有98%的時間處于待機模式，因此需要真正的負載切斷功能，以便延長電池的使用時間。手機受到體積限制，需要小型的集成化解決方案，TPS61043能滿足這些要求，它是電感式升壓轉換器，內建功率FET晶體管，也是專為白光LED而設計的驅動IC。TPS61043還提供負載切斷、過電壓保護和PWM調光功能，1MHz開關頻率讓此IC能夠使用體積最小的外部元器件。

　　主要的工程挑戰在于選擇正確的外部元件，同時完成適當的電路布局。電流感測電阻是最容易挑選的元件，正確的電阻值是由IC參考電壓0.252V除以所要求的白光LED最大電流0.02A來決定，此處相當于12.6Ω，接著只需選擇最接近這個值的標準電阻即可。注意電阻的功耗只有5mW，因此可選擇0402型電阻器以節省電路板面積。

　　選擇電感

　　選擇適當的電感不僅對確保設計符合效率要求很重要，也能配合有限的電路板面積。電感的選擇必需考慮三項參數：電感值、飽和電流和線圈阻抗(DCR)。如同所有的開關式轉換器一樣，選擇電感就是在效率和電路板面積間做出取舍，較大的電感值可提供更小的阻抗、更高的效率和更大的飽和電流額定值。較小的電感則使用較少的電路板面積，飽和電流額定值也較小，但線圈阻抗卻比較大，因此整體效率較低。

　　在傳統的升壓轉換器中，輸出電感和電容會決定轉換器的反饋回路是否穩定，因此被選中的電感、電容和補償網絡零件都必須經過測試，確保電路能夠穩定工作。TPS61043包含先進的控制電路，無論使用多大的電感值，它都能確保電源供應穩定，因此不必考慮反饋補償的問題。在這個控制拓撲中，開關頻率Fs是由電感值、輸入電壓、輸出電壓和負載電流所決定，其計算公式如下：

　　其中：

　　Iout是白光LED的電流 (最大值0.02 A);

　　Vout是輸出電壓 (最大值16 V);

　　Vin是輸入電壓 (最小值2.7 V);

　　VF是逆向電壓保護二極管的正向電壓，此處假設為0.4 V

　　Ilim是峰值開關電流(總是0.4 A，由控制拓撲決定)

　　Lout是電感值

　　既然體積是重要的設計參數，電源當然應使用很高的開關頻率，但由于電感式轉換器的開關損耗會受到開關頻率影響，因此頻率越高通常就代表效率越低。同樣的，較低的開關頻率可以提供較高效率。不幸的是，要如何選擇最適當的開關頻率，才能將轉換器開關損耗減至最少，這個問題目前仍沒有任何最終方程式可供求解。典型的設計步驟是選擇一個接近最大可能頻率的頻率，設計轉換器，然后重新調整開關頻率和測量工作效率，接著不斷重復整個過程，直到他們發現效率令人滿意為止。將開關頻率任意設為700kHz，利用公式1可計算出電感值為4.8μH，由于4.7μH是業界標準的電感值，我們將它的電感值設為4.7μH。

　　無論電源或負載的狀況如何，TPS61043控制拓撲都會將電感的峰值電流設為400mA，因此我們將電感的飽和電流設為400mA。第三項參數是線圈阻抗，它會決定電感的體積，并且對設計的整體效率造成重大影響。muRata LQH32CN4R7是飽和電流為650mA的4.7μH電感，故能符合我們的要求。這個電感的線圈阻抗為150mΩ，體積則只有3.22.51.55厘米。

　　選擇輸入和輸出電容

　　輸入電容幫助穩定電源的輸入電源阻抗，這在電池供電型系統中極為重要，因為在電源的開關頻率下，所有電池都會有很高的阻抗。若沒有輸入電容，開關式電源以脈沖形式自輸入端汲取電流時，就會在輸入電源線路上產生很大的電壓紋波，進而沖擊到系統的其余部份。TPS61043建議使用4.7μF的陶瓷輸入電容，但設計人員可以使用更大的電容值，沒有任何限制。較小的電容值可以節省電路板面積和成本，但會增加輸入的紋波電壓，在不增加輸入電容的前提下，減少輸入紋波電壓的方法之一是提高驅動器的開關頻率，這可通過減少電感值來完成;在較高的開關頻率下，電容阻抗變得較小，這能降低紋波電壓。

　　開關式升壓轉換器的輸出電容會直接影響輸出紋波電壓，但輸出電壓對于白光LED驅動電路并不重要，因此這個設計可以使用低至0.1μF的輸出電容。這么小的輸出電容確實會造成很大的紋波電壓，它會讓白光LED出現很大的紋波電流。幸好紋波電流并不會對白光LED造成什么影響，顯示器亮度是由白光LED平均電流決定，任何頻率在100Hz以上的紋波電流都不會被眼睛察覺。假設白光LED電流波形的波峰為30mA，波谷為10mA(平均20mA)，那么它所產生的顯示器亮度會和20mA直流電流完全相同。輸出電容最好是使用陶瓷電容，而且它的電壓額定值應該高于電源的工作電壓，我們的輸出電壓大約是16V，因此可以使用16V的電容，這是因為就算在故障情形下，輸出電壓也只會上升至19 V，而陶瓷電容在兩倍的額定電壓下才會燒壞，所以16 V的輸出電容仍在可接受范圍內。對于壽命極長或可靠性很高的產品，最好使用電壓額定值較高的輸出電容。

　　電源的逆向電壓保護二極管(圖2中的D1)很容易選擇，它需要和電感相同的峰值電流額定值，逆向電壓額定值必須大于LED兩端的電壓。正向電壓很小的肖特基二極管可以提供最高效率。

　　布局布線

　　選擇正確的IC，并為它挑選支持元件，都只是設計過程的一部份。電路必須正確布局，讓它能正常工作，而且不會產生過多的系統噪聲。圖6是最后得到的白光LED驅動器電氣原理圖以及重要的電壓和電流波形，圖7則是典型的電路板布局布線。在供電電源中，最重要的布局約束條件就是從D1經過輸出電容到地線，再進入IC的地線管腳，然后從IC的SW接腳離開，最后再回到D1，這個回路應該越短越好。C1的位置必須靠近L1，以提供波形A所示的脈沖電流，此電流從C1出發，經過L1到地線，然后再回到C1，這個物理回路面積應盡量縮小。波形B是開關節點的電壓，它會以每秒60萬次的速度在地電位和輸出電壓之間切換，因此這個電路網絡應該越短越好，減少任何可能的電磁輻射。注意波形B的電流會被分成波形C和D，這兩個路徑上的電流都非常不連續，因此路徑長度必須盡量縮短，減少電磁輻射和電路板的電壓擺動。注意輸出電容的位置應很靠近電源，而不是靠近負載，這樣所有開關電流將局限在電源端。由于電流是從電源供應流向白光LED，波形E幾乎就是直流，負載端也不需要電容或濾波。如果輸出電容的位置靠近白光LED，而不是電源供應電路，電流就會在兩張電路板之間流動，使得系統噪聲增加。