LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)實(shí)例

多功能移動(dòng)電話顯示屏的白光LED驅(qū)動(dòng)器的電源是由輸入電壓在2。7～4。2V之間的鋰離子電池供應(yīng)的。移動(dòng)電話顯示屏內(nèi)置了4個(gè)串聯(lián)的白光LED，每個(gè)LED的最大正向電流為20mA，這種設(shè)計(jì)需要⒛mA的最大輸出電流和4×4V＝16V的輸出電壓。該移動(dòng)電話要求具有顯示屏亮度調(diào)整功能，即希望移動(dòng)電話在閑置一段時(shí)間后，能夠逐漸降低屏幕亮度。電路中的系統(tǒng)處理器負(fù)責(zé)提供PWM調(diào)光功能所需的數(shù)字信號(hào)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電池的使用壽命是主要考慮因素，因此應(yīng)盡量提高效率。移動(dòng)電話顯示屏大約有98％的時(shí)間處于待機(jī)模式，因此需要白光LED驅(qū)動(dòng)器具有負(fù)載切斷功能，以便延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。由于移動(dòng)電話會(huì)受到體積限制，故需要小型的集成化解決方案。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用TPS61043能滿足上述要求。TPS61043是電感式升壓變換器，其內(nèi)置有功率MOSFET管，它也是專為驅(qū)動(dòng)白光LED而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器。TPS61043還提供了負(fù)載切斷、過(guò)電壓保護(hù)和PWM調(diào)光功能。TPS61043的開(kāi)關(guān)頻率為1MHz，設(shè)計(jì)中可使用體積最小的外部元器件。

（1）檢測(cè)電阻的選擇

采用TPS61043構(gòu)成白光LED驅(qū)動(dòng)器的外部電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵主要是如何正確選擇外部元件，同時(shí)完成適當(dāng)?shù)碾娐凡季?。電流檢測(cè)電阻值是用TPS61043的參考電壓0。252V除以所要求的白光LED最大電流0。02A來(lái)決定的，即電流檢測(cè)電阻值為12。6Ω，電阻的功耗為5mW，因此可選擇0402型電阻器以節(jié)省電路板面積。

（2）電感的選擇

選擇適當(dāng)?shù)碾姼胁粌H可確保設(shè)計(jì)的符合要求，而且也能滿足有限的電路板面積要求。選擇電感時(shí)必須考慮的三項(xiàng)參數(shù)有：電感值、飽和電流和線圈阻抗（DCR）。如同所有的開(kāi)關(guān)式變換器一樣，選擇電感就是在效率和電路板面積間做出折中，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；較小的電感則使用了較少的電路板面積，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(tǒng)的升壓變換器中，輸出電感和電容會(huì)決定變換器的反饋回路是否穩(wěn)定，因此被選中的電感、電容和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的器件都必須經(jīng)過(guò)測(cè)試，以確保電路能夠穩(wěn)定工作。由于TPS61043采用了先進(jìn)的控制電路，因此無(wú)論采用多大的電感值，電路都能確保工作穩(wěn)定，因此不必考慮反饋補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。在這個(gè)控制電路中，開(kāi)關(guān)頻率F，是由電感值、輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載電流決定的，其計(jì)算公式如下。

式中，IOUT是白光LED的電流（最大值為0。02A）；UOUT是輸出電壓（最大值為16V）；UIN是輸入電壓（最小值為2。7V）；UF是逆向電壓保護(hù)二極管的正向電壓，取0。4V；Ilim是峰值開(kāi)關(guān)電流（為0。4A，由控制拓?fù)錄Q定）；LOUT是電感值；100的單位是納秒（ns）。

由于電感體積是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，則開(kāi)關(guān)電路應(yīng)使用高的開(kāi)關(guān)頻率，但由于電感式變換器的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)受到開(kāi)關(guān)頻率的影響，因此頻率越高通常就代表效率越低。而較低的開(kāi)關(guān)頻率可以提供較高效率。究竟要如何選擇最適當(dāng)?shù)拈_(kāi)關(guān)頻率，才能將變換器開(kāi)關(guān)損耗減至最少，這個(gè)問(wèn)題目前仍沒(méi)有一個(gè)最終方程式可求解出答案來(lái)。

典型的設(shè)計(jì)步驟是選擇一個(gè)接近最大可能的工作頻率，然后重新調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率和測(cè)量工作效率，直到其參數(shù)達(dá)到滿意為止。如將開(kāi)關(guān)頻率任意設(shè)為700kHz，然后利用公式（2-7）計(jì)算出電感值為4。8μH，則實(shí)際電路應(yīng)采用4。7μH的電感值。

無(wú)論電源或負(fù)載的狀況如何，TPS61043控制電路都會(huì)將電感的峰值電流設(shè)為400mA，因此可將電感的飽和電流設(shè)為400mA。電感線圈的阻抗決定了電感的體積，并且對(duì)設(shè)計(jì)的整體效率有重大影響。本電路選用的電感的是飽和電流為650mA的4。7μH電感，線圈阻抗為150mΩ（LQH32CN4R7），這個(gè)電感的體積僅只有8。2cm×2。5cm×1。55cm，故符合設(shè)計(jì)要求。

輸入電容能穩(wěn)定電源的輸入阻抗，這在電池供電型電子設(shè)各中極為重要。因?yàn)樵陔娫吹拈_(kāi)關(guān)頻率下，所有電池都會(huì)有很高的阻抗，若沒(méi)有輸入電容，開(kāi)關(guān)式電源以脈沖形式自輸入端汲取電流時(shí)，就會(huì)在輸入電源線路上產(chǎn)生很大的電壓紋波，進(jìn)而影響系統(tǒng)其他部分電路的正常工作。TPS61043應(yīng)使用4。7μF的陶瓷輸入電容，但也可以使用更大的電容值。較小的電容值可以節(jié)省電路板面積和成本，但會(huì)增加輸入的紋波電壓。在不增加輸入電容的前提下，減少輸入紋波電壓的方法之一是提高驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)頻率，這可通過(guò)減少電感值來(lái)完成；在較高的開(kāi)關(guān)頻率下，電容阻抗變得較小，這能降低輸入的紋波電壓。

開(kāi)關(guān)式升壓變換器的輸出電容的容量會(huì)直接影響輸出紋波電壓。由于電壓對(duì)于白光LED驅(qū)動(dòng)電路并不重要，因此可以使用低至0。1μF的輸出電容。這么小的輸出電容確實(shí)會(huì)造成很大的紋波電壓，它會(huì)讓白光LED出現(xiàn)很大的紋波電流。但因紋波電流并不會(huì)對(duì)白光LED造成什么影響，且LED的亮度是由白光LED的平均電流決定的，故任何頻率在100Hz以上的紋波電流都不會(huì)被眼睛察覺(jué)。假設(shè)白光LED電流波形的波峰為30mA，波谷為10mA（平均為⒛mA），那么它所產(chǎn)生的LED亮度會(huì)和與LED通過(guò)20mA直流電流時(shí)產(chǎn)生的亮度完全相同。輸出電容應(yīng)使用陶瓷電容，其電壓額定值應(yīng)該高于變換器的輸出電壓，若輸出電壓為16V，則應(yīng)選用額定電壓為16V的電容，即使在故障情形下，輸出電壓也只會(huì)上升至19V，因陶瓷電容在兩倍的額定電壓下才會(huì)損壞，所以16V的輸出電容仍在可接受范圍內(nèi)。對(duì)于要求使用壽命長(zhǎng)或可靠性很高的產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用電壓額定值較高的輸出電容。圖2是如圖1所示的白光LED驅(qū)動(dòng)器的電壓和電流波形。

圖2圖1的白光LED驅(qū)動(dòng)器的電壓和電流波形

（4）布局布線

正確選擇白光LED驅(qū)動(dòng)器，并為其設(shè)計(jì)外部器件，都只是電路設(shè)計(jì)過(guò)程的一部分。白光LED驅(qū)動(dòng)電路必須正確布局和布線，才能保證驅(qū)動(dòng)器正常工作，而且不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的系統(tǒng)噪聲。在布局和布線中，最重要的布局約束條件為：從VD1經(jīng)過(guò)輸出電容到地，再進(jìn)入TPS61043的地線引腳，然后從TPS61043的SW引腳離開(kāi)，最后再回到VD1的回路布線，這個(gè)回路應(yīng)該越短越好；C1的位置必須靠近L1，以提供如圖2中波形A所示的脈沖電流，此電流從C1出發(fā)，經(jīng)過(guò)L1到地線，然后再回到C1，這個(gè)物理回路面積應(yīng)盡量縮小。圖2中的波形B是開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)的電壓，它會(huì)以每秒60萬(wàn)次的速度在地電位和輸出電壓之間切換，因此這個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該越短越好，以減少任何可能的電磁輻射；圖2中的波形A的電流會(huì)被分成波形C和D，這兩個(gè)路徑上的電流都非常不連續(xù)，因此路徑長(zhǎng)度必須盡量縮短，以減少電磁輻射和電路板的電壓波動(dòng)；輸出電容的位置應(yīng)很靠近電源端，而不是靠近LED，這樣所有的開(kāi)關(guān)電流都將局限在電源端。由于電流是從電源流向白光LED的，故圖2中的波形E幾乎是直流，LED端也不需要電容濾波。如果輸出電容的位置靠近白光LED，電流就拿在兩塊電路板之間流動(dòng)，使系統(tǒng)噪聲增加。