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專家支招:如何設(shè)計(jì)白光LED電源電路模塊?

發(fā)布時(shí)間:2014-11-22 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】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。本文就為大家提供白光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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)說(shuō),調(diào)節(jié) LED 電流和 LED 亮度的可能性也是必須的。圖 5 中的電路實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)要求。
通過(guò)降低電流感應(yīng)電壓來(lái)提高效率
圖 5 通過(guò)降低電流感應(yīng)電壓來(lái)提高效率
  
在圖 5 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(guò)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(guò)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(guò)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?0.49V)。
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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 8 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。
白光 LED 恒流驅(qū)動(dòng)器 IC
圖 8 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(wú)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(wèn)題了。但是,充電泵解決方案的飛跨電容通過(guò)在高頻率時(shí)開啟和關(guān)閉開關(guān)來(lái)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(wú)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 11 所示。
 承載開關(guān)電流的節(jié)點(diǎn)和線跡應(yīng)保持最小化
圖 11 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。
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