白光LED电源系统电路模块设计

2014-12-28编辑:探路者 关键字:LED  电源系统  电路模块设计

  随着彩色显示屏在便携市场(如手机、PDA 以及超小型 PC)中的广泛采用,对于一个单色 LCD 照明而言,就需要一个白色背光或侧光。与常用的 CCFL(冷阴极荧光灯)背光相比,由于 LED 需要更低的功耗和更小的空间,所以其看起来是背光应用不错的选择。白光LED 的典型正向电压介于 3V~5V 之间。由于为白光LED 供电的最佳选择是选用一个恒流电源,且锂离子电池的输入电压范围低于或等于LED 正向电压,因此就需要一款新型电源解决方案。

  主要的电源要求包括高效率、小型的解决方案尺寸以及调节 LED 亮度的可能性。对于具有无线功能的便携式系统而言,可接受的 EMI 性能成为我们关注的另一个焦点。当高效率为我们选择电源最为关心的标准时,升压转换器就是一款颇具吸引力的解决方案,而其他常见的解决方案是采用充电泵转换器。在本文中,我们分别对用于驱动白光 LED 的两款解决方案作了讨论,并探讨了他们与主要电源要求的关系。另外一个很重要的设计考虑因素是调节 LED 亮度的控制方法,其亮度不但会影响整个转换器的效率,而且还有可能会出现白光 LED 的色度变换。下面将介绍一款使用一个 PWM 信号来控制其亮度的简单的解决方案。与其他标准解决方案相比,该解决方案的另外一个优势就是其更高的效率。

  可驱动白光LED 的标准升压转换器

  图 中的升压转换器被配置为一个可驱动 4白光 LED 的电流源。该器件将检测电阻器 Rs 两端的电压调节至 1.233V,从而得到一个定义的 LED 电流。

  本结构中使用的升压转换器在 1.233V 电流检测电阻器两端将有一个压降,而检测电阻器的功耗会降低该解决方案的效率。因此,必须降低检测和调节该 LED 电流的压降。除此之外,对于许多应用来说,调节 LED 电流和 LED 亮度的可能性也是必须的。图 5 中的电路实现了这两个要求。

  图 5 通过降低电流感应电压来提高效率

  在图 5 中,一个可选齐纳二极管被添加到了电路中,用钳位控制输出电压,以防止一个 LED 断开连接或出现高阻抗。一个具有 3.3V 振幅的 PWM 信号被施加到该转换器的反馈电路上,同时使用了一个低通滤波器 Rf 和 Cf,以过滤PWM 信号的 DC 部分并在 R2 处建立一个模拟电压 (Vadj)。通过改变所施加 PWM 信号的占空比,使该模拟电压上升或下降,从而调节该转换器的反馈电压,此举会增加或降低转换器的 LED 电流。通过在 R2 处施加一个高于转换器反馈电压 (1.233V)的模拟电压,可以在检测电阻器两端实现一个更低的感应电压。对于一个 20mA LED 电流而言,感应电压从 1.233V 下降到了 0.98V(对于 10mA LED 电流而言,甚至会降至 0.49V)。

  当使用一个具有 3.3V 振幅的 PWM 信号时,必须要将控制 LED 亮度的占空比范围从 50% 调整到 100%,以得到一个通常会高于 1.233V 反馈电压的模拟电压。在 50% 占空比时,模拟电压将为 1.65V,从而产生一个 20mA、0.98V 的感应电压。将占空比范围限制在 70%~100% 之间会进一步降低感应电压专用 LED 驱动器减少了外部组件数量图 8 显示了一款集成了前面所述特性的器件。直接在 CTRL 引脚上施加一个PWM 信号就可以对 LED 电流进行控制。

  图 8 白光 LED 恒流驱动器 IC

  对EMI加以控制

  由于这两款解决方案均为运行在高达 1MHz 转换频率上的开关转换器,且可以快速的上升和下降,因此无论使用哪一种解决方案(充电泵还是升压转换器)都必须要特别谨慎。如果使用的是充电泵解决方案,则不需要使用电感,因此也就不存在磁场会引起 EMI 的问题了。但是,充电泵解决方案的飞跨电容通过在高频率时开启和关闭开关来持续地充电和放电。这将引起电流峰值和极快的上升,并对其他电路发生干扰。因此飞跨电容应该尽可能地靠近 IC 连接,且线迹要非常短以最小化EMI 放射。必须使用一个低 ESR 输入电容以最小化高电流峰值(尤其是出现在输入端的电流峰值)。

  如果使用的是一款升压转换器,则屏蔽电感器将拥有一个更为有限的磁场,从而实现更好的 EMI 性能。应对转换器的转换频率加以选择以最小化所有对该系统无线部分产生的干扰。PCB 布局将对 EMI 产生重大影响,尤其要将承载开关或 AC 电流的线迹保持尽可能小以最小化 EMI 放射,如图 11 所示。

  图 11 承载开关电流的节点和线迹应保持最小化

  粗线迹应先完成布线,且必须使用一个星形接地或接地层以最小化噪声。输入和输出电容应为低 ESR 陶瓷电容以最小化输入和输出电压纹波。在大多数应用中,与充电泵相比,升压转换器显示出了更高的效率。使用一个升压转换器(其电感大小与 1210 外壳尺寸一样)降低了充电泵在总体解决方案尺寸方面的优势。至少需要根据总体解决方案的尺寸对效率进行评估。在 EMI 性能方面,对升压转换器的设计还需要考虑更多因素和对更多相关知识的了解。

  总之,对于许多系统而言,尤其在器件拥有一个从 1.0 到 1.5 的灵活转换增益的时候,充电泵解决方案将是一个不错的解决方案。在稍微高于 LED 正向电压处发生从 1.0 到 1.5 的转换增益时,这样一款解决方案将实现绝佳的效率。在为每个应用选择升压转换器或充电泵解决方案时,需要充分考虑便携式系统的关键要求。如果效率是关键的要求,则升压转换器将为更适宜的解决方案。

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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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