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功率技術/新能源  

白光LED驅動器的選擇和設計

上網時間: 2004年07月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:白光LED  驅動器  電感式驅動器  電荷泵驅動器  TPS61043 

本文針對如何選擇正確的白光LED驅動器,介紹了電感式驅動器電荷泵驅動器、它們的侷限以及如何權衡考慮。作者還討論了如何評估白光LED驅動器的典型特性,並提供了外部零組件選擇指導以及實際的設計範例和佈局考慮。

今日的許多可攜式消費電子產品都有顯示螢幕,例如行動電話、PDA和MP3播放器等,雖然螢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是可攜式消費電子產品目前最常採用的背光方案選擇。

驅動白光LED的主要目標是產生正向電流通過元件,這可採用?壓源或?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),再於電路的兩端加上?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3.6V時,會有20mA電流通過圖1的白光LED,若溫度或製程改變讓此電壓變為4.0V(仍在正常的3V至4V容差範圍內),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驅動方式是採用?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?定正向電流,就能提供可控制的?定顯示亮度。?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。若要以並聯方式推動白光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。

電感式驅動器電荷泵驅動器的比較

所有專為驅動白光LED而設計IC都提供?定電流,其中絕大多數是基於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器解決方案,利用分離電容器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器。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範圍,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於輸入電壓的兩倍,因此若想利用電荷泵驅動一個以上的白光LED,就必須採用並聯驅動的方式。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性產品提供更長的電池使用時間。本文將會証明,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。由於大多數電感式解決方案都是採用升壓轉換器(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,因為許多顯示器內建的白光LED都採用串聯模式;就算並未將白光LED內建於顯示器螢幕中,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。驅動五個並聯的白光LED共需使用連接器的六個接腳,驅動串聯在一起的五個白光LED只需要兩個接腳。

白光LED驅動器的特性

許多應用的螢幕需要背光調整功能,例如PDA等產品的使用者就能調整螢幕亮度,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後,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:類比和PWM。採用類比調光技術時,只需將白光LED的電流降至最大值的一半,就能讓螢幕亮度減少50%。這種方法的缺點包括:白光LED色移;需要類比控制訊號。PWM調光技術在減少的電流佔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%的佔空周期內提供完整電流。PWM訊號頻率通常會超過100Hz,以確保這個脈衝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。調光訊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,?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,因此連接器的接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?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或輸出電容器造成損害。保護驅動器的最簡單方法是選擇內建過電壓比較器的IC,並利用此功能來限制最大輸出電壓,例如TPS61043就具備這項功能。齊納二極體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體。

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體(catch diode)連接到輸入端。由於輸入電源仍連接至白光二極體,就算電源停止工作,依然會有很小的電流繼續通過。可攜式產品可能有高達95%的時間處於待機狀態,就算泄漏電流非常小,電池壽命也會大幅減少。負載切斷特性對於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,但輸出電容器卻仍連接至LED,若沒有負載切斷特性的協助,輸出電容器就會通過LED繼續放電,直到調光脈衝讓電源進入導通狀態。由於輸出電容器在每個調光周期剛開始時都處於部份放電狀態,電源也必須在周期開始時對這些輸出電容器進行充電,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,輸出電容器也能在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電晶體,因為將MOSFET電晶體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?以設計一部多功能手機螢幕的白光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。手機螢幕內建四個串聯的白光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4×4V=16V電壓。該手機規格要求有螢幕亮度調整功能,手機在閑置一段時間後,能夠逐漸降低螢幕亮度。系統處理器通常是由OMAP元件,負責提供PWM調光功能所需的數位訊號。電池壽命是主要考慮因素,因此效率應盡量提高。手機螢幕大約有98%的時間處於待機模式,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,需要小型的整合化解決方案,TPS61043能滿足這些要求,它是電感式升壓轉換器,內建功率FET電晶體,也是專為白光LED而設計驅動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零組件

主要的工程挑戰在於選擇正確的外部元件,同時完成適當的電路佈局。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,此處相當於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)。如同所有的交換式轉換器一樣,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,輸出電感和電容器會決定轉換器的反饋迴路是否穩定,因此被選中的電感、電容器和補償網路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。在這個控制拓樸中,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,其運算公式如下:

其中:


Iout是白光LED的電流(最大值0.02A);


Vout是輸出電壓(最大值16V);


Vin是輸入電壓(最小值2.7V);


VF是逆向電壓保護二極體的正向電壓,此處假設為0.4V


Ilim是峰值開關電流(總是0.4A,由控制拓樸決定)


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,但由於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,然後重新調整開關頻率和測量工作效率,接著不斷重覆整個過程,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可運算出電感值為4.8μH,由於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控制拓樸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,並且對設計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3.2×2.5×1.55厘米。

選擇輸入和輸出電容器

輸入電容器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。若沒有輸入電容器,交換式電源以脈衝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,進而衝擊到系統的其餘部份。TPS61043建議使用4.7μF的陶瓷輸入電容器,但設計人員可以使用更大的電容器值,沒有任何限制。較小的電容器值可以節省電路板面積和成本,但會增加輸入的紋波電壓,在不增加輸入電容器的前提下,減少輸入紋波電壓的方法之一是提高驅動器的開關頻率,這可透過減少電感值來完成;在較高的開關頻率下,電容器阻抗變得較小,這能降低紋波電壓。

交換式升壓轉換器的輸出電容器會直接影響輸出紋波電壓,但輸出電壓對於白光LED驅動電路並不重要,因此這個設計可以使用低至0.1μF的輸出電容器。這麼小的輸出電容器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。幸好紋波電流並不會對白光LED造成什麼影響,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),那麼它所產生的顯示器亮度會和20mA直流電流完全相同。輸出電容器最好是使用陶瓷電容器,而且它的電壓額定值應該高於電源的工作電壓,我們的輸出電壓大約是16V,因此可以使用16V的電容器,這是因為就算在故障情形下,輸出電壓也只會上升至19V,而陶瓷電容器在兩倍的額定電壓下才會燒壞,所以16V的輸出電容器仍在可接受範圍內。對於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器。

電源的逆向電壓保護二極體(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於LED兩端的電壓。正向電壓很小的肖特基二極體可以提供最高效率。

佈局佈線

選擇正確的IC,並為它挑選支援元件,都只是設計過程的一部份。電路必須正確佈局,讓它能正常工作,而且不會產生過多的系統噪音。圖6是最後得到的白光LED驅動器電氣原理圖以及重要的電壓和電流波形,圖7則是典型的電路板佈局佈線。在供電電源中,最重要的佈局約束條件就是從D1經過輸出電容器到地線,再進入IC的地線接腳,然後從IC的SW接腳離開,最後再回到D1,這個迴路應該越短越好。C1的位置必須靠近L1,以提供波形A所示的脈衝電流,此電流從C1出發,經過L1到地線,然後再回到C1,這個實體迴路面積應盡量縮小。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,因此這個電路網路應該越短越好,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。注意輸出電容器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侷限在電源端。由於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器或濾波。如果輸出電容器的位置靠近白光LED,而不是電源供應電路,電流就會在兩張電路板之間流動,使得系統噪音增加。

作者:Michael Day


德州儀器





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