驅(qū)動(dòng)白光LED的主要目標(biāo)是產(chǎn)生正向電流通過(guò)器件，這可采用恒壓源或恒流源來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1是成本最低的解決方案，它將白光LED串聯(lián)一個(gè)鎮(zhèn)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(diǎn)，鎮(zhèn)流電阻會(huì)限制通過(guò)的電流，白光LED的非線(xiàn)性V-I曲線(xiàn)也讓這種方法的穩(wěn)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(dòng)，白光LED的電流都會(huì)改變。當(dāng)額定正向電壓為3.6 V時(shí)，會(huì)有20mA電流通過(guò)圖1的白光LED，若溫度或工藝改變讓此電壓變?yōu)?.0V(仍在正常的3V至4V容差范圍內(nèi))，正向電流就會(huì)下降至14mA；換言之，正向電壓只要改變11%，正向電流就會(huì)出現(xiàn)30%的大幅度變動(dòng)。這種白光LED電流的極端改變會(huì)影響顯示器亮度，這是許多應(yīng)用無(wú)法接受的。

電感式驅(qū)動(dòng)器和電荷泵驅(qū)動(dòng)器的比較

所有專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)白光LED而設(shè)計(jì)的IC都提供恒定電流，其中絕大多數(shù)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(yōu)缺點(diǎn)。電荷泵解決方案或稱(chēng)為開(kāi)關(guān)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(gè)過(guò)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(shè)計(jì)也很簡(jiǎn)單，選擇元件時(shí)通常只需根據(jù)元件規(guī)格從中挑選適當(dāng)?shù)碾娙荨ｋ姾杀媒鉀Q方案的主要缺點(diǎn)是它只能提供有限的輸出電壓范圍，絕大多數(shù)電荷泵IC的轉(zhuǎn)換比率最多只能達(dá)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(qū)動(dòng)一個(gè)以上的白光LED，就必須采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式。利用只能對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓的電荷泵驅(qū)動(dòng)多個(gè)白光LED時(shí)，必須使用鎮(zhèn)流電阻來(lái)防止電流分配不平均，但這些電阻會(huì)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(shù)消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品提供更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間。本文將會(huì)證明，設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整電感式轉(zhuǎn)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(shù)電感式解決方案都是采用升壓轉(zhuǎn)換器(圖2)，它們最多能驅(qū)動(dòng)六個(gè)或七個(gè)串聯(lián)的白光LED，這種做法有其優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵S多顯示器內(nèi)置的白光LED都采用串聯(lián)模式；就算并未將白光LED內(nèi)置于顯示器屏幕中，大多數(shù)工程師還是會(huì)將它們串聯(lián)在一起。背光驅(qū)動(dòng)器和白光LED通常會(huì)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(qū)動(dòng)五個(gè)并聯(lián)的白光LED共需使用連接器的六個(gè)管腳，驅(qū)動(dòng)串聯(lián)在一起的五個(gè)白光LED只需要兩個(gè)管腳。

白光LED驅(qū)動(dòng)器的特性

許多應(yīng)用的屏幕需要背光調(diào)整功能，例如PDA等產(chǎn)品的使用者就能調(diào)整屏幕亮度，以適應(yīng)周?chē)h(huán)境，還有許多產(chǎn)品的處理器會(huì)在系統(tǒng)閑置一段時(shí)間后，自動(dòng)降低或切斷背光電源。調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)方法可分為兩種：模擬和PWM。采用模擬調(diào)光技術(shù)時(shí)，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(diǎn)包括：白光LED色移；需要模擬控制信號(hào)。PWM調(diào)光技術(shù)在減少的電流占空周期內(nèi)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(nèi)提供完整電流。PWM信號(hào)頻率通常會(huì)超過(guò)100Hz，以確保這個(gè)脈沖電流不會(huì)被眼睛察覺(jué)，PWM頻率的最大值需視電源的啟動(dòng)和反應(yīng)時(shí)間而定；為了得到最大靈活性，同時(shí)讓整合更容易，白光LED驅(qū)動(dòng)器最高應(yīng)能接受50kHz的PWM頻率。調(diào)光信號(hào)通常來(lái)自系統(tǒng)處理器的GPIO接腳。

在出現(xiàn)開(kāi)路故障的情況下，恒定電流的白光LED驅(qū)動(dòng)器需要過(guò)電壓保護(hù)。如上所述，白光LED和驅(qū)動(dòng)器通常在不同的電路板上，因此連接器的管腳松脫就會(huì)造成開(kāi)路故障，另一個(gè)可能性則是白光LED出現(xiàn)造成開(kāi)路。無(wú)論是那一種情形，驅(qū)動(dòng)器為了提供恒定電流，都會(huì)增加它的輸出電壓，此時(shí)若無(wú)保護(hù)電路，輸出電壓很快就會(huì)升高，對(duì)IC或輸出電容造成損害。保護(hù)驅(qū)動(dòng)器的最簡(jiǎn)單方法是選擇內(nèi)建過(guò)電壓比較器的IC，并利用此功能來(lái)限制最大輸出電壓，例如TPS61043就具備這項(xiàng)功能。齊納二極管也可用來(lái)限制最大輸出電壓，然而這種做法的效率很低，因?yàn)樵诠收锨闆r下，會(huì)有預(yù)先設(shè)定的最大電流通過(guò)齊納二極管。

白光LED驅(qū)動(dòng)器電源常被忽略的一個(gè)特性就是負(fù)載切斷。在電源關(guān)掉時(shí)，負(fù)載切斷可從電氣上將白光LED與輸入源切斷。這項(xiàng)特性在兩種情形下非常重要：關(guān)機(jī)和PWM調(diào)光。如同圖2所示，就算升壓轉(zhuǎn)換器的電源被切斷，負(fù)載仍會(huì)經(jīng)由電感和逆向電壓保護(hù)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(huì)有很小的電流繼續(xù)通過(guò)。便攜式產(chǎn)品可能有高達(dá)95%的時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，就算泄漏電流非常小，電池壽命也會(huì)大幅減少。負(fù)載切斷特性對(duì)于PWM調(diào)光也很重要，因?yàn)樵谡{(diào)光停止期間，電源雖然不供應(yīng)電流，但輸出電容卻仍連接至LED，若沒(méi)有負(fù)載切斷特性的協(xié)助，輸出電容就會(huì)通過(guò)LED繼續(xù)放電，直到調(diào)光脈沖讓電源進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。由于輸出電容在每個(gè)調(diào)光周期剛開(kāi)始時(shí)都處于部分放電狀態(tài)，電源也必須在周期開(kāi)始時(shí)對(duì)這些輸出電容進(jìn)行充電，使得每個(gè)周期都會(huì)出現(xiàn)涌入電流尖波，這個(gè)涌入電流不但會(huì)降低系統(tǒng)效率，還會(huì)在輸入電源線(xiàn)路上造成電壓瞬時(shí)變動(dòng)。有了負(fù)載切斷功能，LED與電路的聯(lián)機(jī)就會(huì)切斷，當(dāng)電源供應(yīng)停止導(dǎo)通時(shí)就不會(huì)有泄漏電流，輸出電容也能在PWM調(diào)光周期之間保持滿(mǎn)電位狀態(tài)。負(fù)載切斷電路的最佳實(shí)現(xiàn)方法是在LED和電流感測(cè)電阻之間加入MOSFET晶體管，因?yàn)閷OSFET晶體管加在電流感測(cè)電阻和地線(xiàn)之間會(huì)造成額外的電壓降，此電壓還會(huì)成為輸出電流設(shè)定點(diǎn)的誤差電壓。

設(shè)計(jì)實(shí)例

這里以設(shè)計(jì)一部多功能手機(jī)屏幕的白光LED驅(qū)動(dòng)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(yīng)。手機(jī)屏幕內(nèi)置四個(gè)串聯(lián)的白光LED，每個(gè)的最大正向電流為20mA，這種設(shè)計(jì)需要20mA最大輸出電流和4×4V=16V電壓。該手機(jī)規(guī)格要求有屏幕亮度調(diào)整功能，手機(jī)在閑置一段時(shí)間后，能夠逐漸降低屏幕亮度。系統(tǒng)處理器通常是由OMAP器件，負(fù)責(zé)提供PWM調(diào)光功能所需的數(shù)字信號(hào)。電池壽命是主要考慮因素，因此效率應(yīng)盡量提高。手機(jī)屏幕大約有98%的時(shí)間處于待機(jī)模式，因此需要真正的負(fù)載切斷功能，以便延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。手機(jī)受到體積限制，需要小型的集成化解決方案，TPS61043能滿(mǎn)足這些要求，它是電感式升壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)建功率FET晶體管，也是專(zhuān)為白光LED而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)IC。TPS61043還提供負(fù)載切斷、過(guò)電壓保護(hù)和PWM調(diào)光功能，1MHz開(kāi)關(guān)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(zhàn)在于選擇正確的外部元件，同時(shí)完成適當(dāng)?shù)碾娐凡季帧ｋ娏鞲袦y(cè)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(lái)決定，此處相當(dāng)于12.6Ω，接著只需選擇最接近這個(gè)值的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)省電路板面積。

選擇電感

選擇適當(dāng)?shù)碾姼胁粌H對(duì)確保設(shè)計(jì)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(xiàng)參數(shù)：電感值、飽和電流和線(xiàn)圈阻抗(DCR)。如同所有的開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)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(xiàn)圈阻抗卻比較大，因此整體效率較低。

在傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電感和電容會(huì)決定轉(zhuǎn)換器的反饋回路是否穩(wěn)定，因此被選中的電感、電容和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)零件都必須經(jīng)過(guò)測(cè)試，確保電路能夠穩(wěn)定工作。TPS61043包含先進(jìn)的控制電路，無(wú)論使用多大的電感值，它都能確保電源供應(yīng)穩(wěn)定，因此不必考慮反饋補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。在這個(gè)控制拓?fù)渲校_(kāi)關(guān)頻率F_s是由電感值、輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載電流所決定，其計(jì)算公式如下：

其中：

I_out是白光LED的電流 (最大值0.02 A)；

V_out是輸出電壓 (最大值16 V)；

V_in是輸入電壓 (最小值2.7 V)；

V_F是逆向電壓保護(hù)二極管的正向電壓，此處假設(shè)為0.4 V

I_lim是峰值開(kāi)關(guān)電流(總是0.4 A，由控制拓?fù)錄Q定)

L_out是電感值

既然體積是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，電源當(dāng)然應(yīng)使用很高的開(kāi)關(guān)頻率，但由于電感式轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)受到開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率可以提供較高效率。不幸的是，要如何選擇最適當(dāng)?shù)拈_(kāi)關(guān)頻率，才能將轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)損耗減至最少，這個(gè)問(wèn)題目前仍沒(méi)有任何最終方程式可供求解。典型的設(shè)計(jì)步驟是選擇一個(gè)接近最大可能頻率的頻率，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器，然后重新調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率和測(cè)量工作效率，接著不斷重復(fù)整個(gè)過(guò)程，直到他們發(fā)現(xiàn)效率令人滿(mǎn)意為止。將開(kāi)關(guān)頻率任意設(shè)為700kHz，利用公式1可計(jì)算出電感值為4.8μH，由于4.7μH是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的電感值，我們將它的電感值設(shè)為4.7μH。

無(wú)論電源或負(fù)載的狀況如何，TPS61043控制拓?fù)涠紩?huì)將電感的峰值電流設(shè)為400mA，因此我們將電感的飽和電流設(shè)為400mA。第三項(xiàng)參數(shù)是線(xiàn)圈阻抗，它會(huì)決定電感的體積，并且對(duì)設(shè)計(jì)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(gè)電感的線(xiàn)圈阻抗為150mΩ，體積則只有3.2×2.5×1.55厘米。

選擇輸入和輸出電容

輸入電容幫助穩(wěn)定電源的輸入電源阻抗，這在電池供電型系統(tǒng)中極為重要，因?yàn)樵陔娫吹拈_(kāi)關(guān)頻率下，所有電池都會(huì)有很高的阻抗。若沒(méi)有輸入電容，開(kāi)關(guān)式電源以脈沖形式自輸入端汲取電流時(shí)，就會(huì)在輸入電源線(xiàn)路上產(chǎn)生很大的電壓紋波，進(jìn)而沖擊到系統(tǒng)的其余部份。TPS61043建議使用4.7μF的陶瓷輸入電容，但設(shè)計(jì)人員可以使用更大的電容值，沒(méi)有任何限制。較小的電容值可以節(jié)省電路板面積和成本，但會(huì)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(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)頻率，這可通過(guò)減少電感值來(lái)完成；在較高的開(kāi)關(guān)頻率下，電容阻抗變得較小，這能降低紋波電壓。

開(kāi)關(guān)式升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容會(huì)直接影響輸出紋波電壓，但輸出電壓對(duì)于白光LED驅(qū)動(dòng)電路并不重要，因此這個(gè)設(shè)計(jì)可以使用低至0.1μF的輸出電容。這么小的輸出電容確實(shí)會(huì)造成很大的紋波電壓，它會(huì)讓白光LED出現(xiàn)很大的紋波電流。幸好紋波電流并不會(huì)對(duì)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(huì)被眼睛察覺(jué)。假設(shè)白光LED電流波形的波峰為30mA，波谷為10mA(平均20mA)，那么它所產(chǎn)生的顯示器亮度會(huì)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(yīng)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?yàn)榫退阍诠收锨樾蜗拢敵鲭妷阂仓粫?huì)上升至19 V，而陶瓷電容在兩倍的額定電壓下才會(huì)燒壞，所以16 V的輸出電容仍在可接受范圍內(nèi)。對(duì)于壽命極長(zhǎng)或可靠性很高的產(chǎn)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(hù)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(xiàn)