低壓電池供電仍是LED 驅動器的主流應用

引言
　　近年來，白光LED在照明領域成為越來越重要的創新產品。出眾的使用壽命及光效率使白光LED在快速增長的應用產品中，成為客戶首選的解決方案。集成電路制造商已開發出多種解決方案，使工程人員在最佳工作條件下使用這些新型元件。本文旨在幫助他們選擇最佳的LED驅動器拓撲結構。雖然也可使用高壓交流電源驅動LED，但是低壓電池供電系統仍然是主流應用方案。因此，本文將著重關注后一種類型的驅動器。


驅動器比較

　　在介紹驅動器工作原理之前，讓我們簡單了解一下LED的一些基本特性。發射光與通過發光二極管的電流量成線性正比關系。因此，嚴格控制正向電流對于獲得所需的光發射而言極為重要。而且，與其它二極管相比，白光LED呈高度非線性。與普通整流器相比，白光LED在電氣性能上的唯一區別是其電壓為正向電壓，范圍在3V~4V之間。因為電流和電壓的關系與溫度及工藝有關，所以在 LED上施加電壓會導致電流輕微失控。因此，驅動LED的最佳方法是在電流模式中進行操作。
　　LED驅動器的選擇范圍很廣，但其目標應用數量有限。彩屏手機的廣泛使用推動了白光LED的生產。白光LED被視為顯示屏背光的最佳解決方案。因此 ，驅動器首先開發使用鋰離子電池供電。允許的電源電壓范圍一般是2.7V~5.5V。出于同一使用原因，連接到一個驅動器的LED數量直接取決于LCD的尺寸。很多時候，LED的使用數量為3~5個，但是對于大型顯示屏，可使用多達10個 LED。第三個限制因素是解決方案的尺寸。制造商始終在尋求最小且最薄的解決方案。由于該方案使用電池供電，因此效率成為區分驅動器的關鍵因素。第二種電路類型是閃光燈，背光電路之間的主要區別是輸出功率。用于攝像手機閃光燈的LED需要100mA~ 1.2A電流，而普通背光僅需 20mA，LED的數量從1個到4個不等。如果不需要超過500mW 的電氣功率，則顯示屏背光電路有極大的選擇空間。一般來說從500mW~ 5W的規格更接近于閃光燈應用。
　　現在讓我們看一下不同的拓撲結構（如圖1所示）。正向電壓通常高于電池電壓，所以電容性電荷泵或電感升壓裝置可用于提高可用電壓。電感升壓裝置的獨特優點在于，僅需使用一個功率開關即可產生足夠電壓，以串聯LED。沒有其他較好的方案能像這方案確保所有LED具有相同電流和亮度，可對電感的充放電進行有效控制，確保穩定的電流通過與LED串聯的檢測電阻。這種電路的特點是效率較高。例如，NCP5006在輸出電壓為22V的情況下可以實現高達90%的效率。當然，實現這些卓越特性也要付出代價，即需要電感。這種元件一般比電容更貴更厚。對于非常
重視厚度和 PCB面積的應用，最佳解決方案通常是電容性電荷泵。

　電荷泵用電池電壓對電容器進行充電，然后用電氣方法對電容器電壓進行“存儲”，提供高于電源電壓的輸出電壓，需要使用數個開關對電容器進行正確連接。內部復雜度有所提高，但外部元件可能較小。電荷泵是一個電壓源，其數值取決于電容和開關數量。因此，在不大幅提高復雜度的情況下，達到較高輸出電壓更為困難。在這種情況下，要對LED進行并聯而不是串聯。要確保LED電流穩定，可通過附加電流源或電阻。對電流源進行匹配，確保LED之間的電流差異微乎其微。當精確度處于次要地位時，最好使用電阻來減少連接數量并降低復雜度。電荷泵的主要缺點在于其效率。開關和電容器的數量決定了電荷泵的乘數N。此比例通常為1.5 或2。下列簡單的方程給出了理想效率的算法：
 

　　實際上，Vout 不可能等于N.Vin，因為確保內部電路正確偏置的最小壓降在于驅動器本身，但是有些制造商聲稱效率可以高達95%。當分析數據表時，值得注意的是表中的值是最優值。除非輸入電壓完全符合最優條件，否則需要在參數曲線上檢查最壞情況。比如，圖2顯示了電感升壓裝置 (此處為NCP5006) 與有兩個乘數的電荷泵之間的效率差別。
　　如上所述，驅動器限制電源電壓通常為5.5V或6V，這在一些應用中是極為重要的限制。幸好某些電感升壓裝置與電感器不同，無需連接到同一個電源上，如NCP5006-NCP5007。電路限制電源電壓為5.5V，但是功率開關最高可以維持22V。由于電路的內部架構不同，因此可以采用應用中的低壓穩壓源對其進行供電，而電感器則需連接到更高的電池電壓上。

其中，一個重要的參數是LED驅動器產生的噪聲。因為電容器要進行充放電，所以電荷泵是大電流毛刺的來源。如欲減少這種影響，則必須進行高質量的輸入濾波。由于存在電感，電感升壓裝置會引起電磁干擾(EMI)。通常情況下，可變頻率的干擾少一些，但是頻率值取決于工作條件。系統設計人員通常偏好稍高的EMI水平，但使用固定頻率。很明顯，可以找到因某個參數而超出這些性能的器件，但是此表旨在于幫助工程人員識別可以滿足一系列要求的電路類型。