白光LED電源系統(tǒng)電路模塊設(shè)計(jì)

隨著彩色顯示屏在便攜市場(chǎng)(如手機(jī)、PDA 以及超小型 PC)中的廣泛采用，對(duì)于一個(gè)單色LCD 照明而言，就需要一個(gè)白色背光或側(cè)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(yīng)用不錯(cuò)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(gè)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(diào)節(jié) LED 亮度的可能性。對(duì)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(guān)注的另一個(gè)焦點(diǎn)。當(dāng)高效率為我們選擇電源最為關(guān)心的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。在本文中，我們分別對(duì)用于驅(qū)動(dòng)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(guān)系。另外一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)考慮因素是調(diào)節(jié) LED 亮度的控制方法，其亮度不但會(huì)影響整個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率，而且還有可能會(huì)出現(xiàn)白光 LED 的色度變換。下面將介紹一款使用一個(gè) PWM 信號(hào)來控制其亮度的簡(jiǎn)單的解決方案。與其他標(biāo)準(zhǔn)解決方案相比，該解決方案的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是其更高的效率。

可驅(qū)動(dòng)白光LED 的標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器

圖中的升壓轉(zhuǎn)換器被配置為一個(gè)可驅(qū)動(dòng)4白光LED的電流源。該器件將檢測(cè)電阻器 Rs 兩端的電壓調(diào)節(jié)至1.233V，從而得到一個(gè)定義的LED電流。

本結(jié)構(gòu)中使用的升壓轉(zhuǎn)換器在1.233V電流檢測(cè)電阻器兩端將有一個(gè)壓降，而檢測(cè)電阻器的功耗會(huì)降低該解決方案的效率。因此，必須降低檢測(cè)和調(diào)節(jié)該LED電流的壓降。除此之外，對(duì)于許多應(yīng)用來說，調(diào)節(jié)LED電流和LED亮度的可能性也是必須的。圖2中的電路實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)要求。

圖2 通過降低電流感應(yīng)電壓來提高效率

在圖2中，一個(gè)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(gè)LED 斷開連接或出現(xiàn)高阻抗。一個(gè)具有3.3V 振幅的PWM 信號(hào)被施加到該轉(zhuǎn)換器的反饋電路上，同時(shí)使用了一個(gè)低通濾波器Rf 和Cf，以過濾PWM 信號(hào)的DC部分并在R2 處建立一個(gè)模擬電壓(Vadj)。通過改變所施加PWM 信號(hào)的占空比，使該模擬電壓上升或下降，從而調(diào)節(jié)該轉(zhuǎn)換器的反饋電壓，此舉會(huì)增加或降低轉(zhuǎn)換器的 LED 電流。通過在 R2 處施加一個(gè)高于轉(zhuǎn)換器反饋電壓(1.233V)的模擬電壓，可以在檢測(cè)電阻器兩端實(shí)現(xiàn)一個(gè)更低的感應(yīng)電壓。對(duì)于一個(gè) 20mA LED 電流而言，感應(yīng)電壓從1.233V下降到了0.98V(對(duì)于10mA LED 電流而言，甚至?xí)抵?.49V)。

當(dāng)使用一個(gè)具有3.3V振幅的PWM 信號(hào)時(shí)，必須要將控制LED亮度的占空比范圍從50%調(diào)整到100%，以得到一個(gè)通常會(huì)高于 1.233V 反饋電壓的模擬電壓。在50%占空比時(shí)，模擬電壓將為 1.65V，從而產(chǎn)生一個(gè)20mA、0.98V 的感應(yīng)電壓。將占空比范圍限制在70%~100%之間會(huì)進(jìn)一步降低感應(yīng)電壓專用LED驅(qū)動(dòng)器減少了外部組件數(shù)量圖3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(gè)PWM 信號(hào)就可以對(duì) LED 電流進(jìn)行控制。

圖3 白光LED恒流驅(qū)動(dòng)器IC

對(duì)EMI加以控制

由于這兩款解決方案均為運(yùn)行在高達(dá)1MHz轉(zhuǎn)換頻率上的開關(guān)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器)都必須要特別謹(jǐn)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(chǎng)會(huì)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(shí)開啟和關(guān)閉開關(guān)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(duì)其他電路發(fā)生干擾。因此飛跨電容應(yīng)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(gè)低ESR 輸入電容以最小化高電流峰值(尤其是出現(xiàn)在輸入端的電流峰值)。

如果使用的是一款升壓轉(zhuǎn)換器，則屏蔽電感器將擁有一個(gè)更為有限的磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)更好的EMI 性能。應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率加以選擇以最小化所有對(duì)該系統(tǒng)無線部分產(chǎn)生的干擾。PCB 布局將對(duì)EMI產(chǎn)生重大影響，尤其要將承載開關(guān)或 AC 電流的線跡保持盡可能小以最小化EMI 放射，如圖4所示。

圖4 承載開關(guān)電流的節(jié)點(diǎn)和線跡應(yīng)保持最小化

粗線跡應(yīng)先完成布線，且必須使用一個(gè)星形接地或接地層以最小化噪聲。輸入和輸出電容應(yīng)為低 ESR 陶瓷電容以最小化輸入和輸出電壓紋波。在大多數(shù)應(yīng)用中，與充電泵相比，升壓轉(zhuǎn)換器顯示出了更高的效率。使用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)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(shì)。至少需要根據(jù)總體解決方案的尺寸對(duì)效率進(jìn)行評(píng)估。在 EMI 性能方面，對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)還需要考慮更多因素和對(duì)更多相關(guān)知識(shí)的了解。

總之，對(duì)于許多系統(tǒng)而言，尤其在器件擁有一個(gè)從 1.0 到 1.5 的靈活轉(zhuǎn)換增益的時(shí)候，充電泵解決方案將是一個(gè)不錯(cuò)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(zhuǎn)換增益時(shí)，這樣一款解決方案將實(shí)現(xiàn)絕佳的效率。在為每個(gè)應(yīng)用選擇升壓轉(zhuǎn)換器或充電泵解決方案時(shí)，需要充分考慮便攜式系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。如果效率是關(guān)鍵的要求，則升壓轉(zhuǎn)換器將為更適宜的解決方案。