白光LED驅(qū)動電路拓?fù)涞倪x擇

圖1 TPS60230電荷泵驅(qū)動白光LED的典型應(yīng)用電路

采用TPS61062升壓變換器驅(qū)動白光LED的典型電路如圖2所示。如圖2所示的升壓變換器是IC技術(shù)的最新開發(fā)成果之一。作為全面集成的同步升壓變換器，它無須外接肖特基二極管就能夠達(dá)到尺寸最小的目的，所需的外部組件數(shù)量最少。

1.電荷泵與升壓變換器效率的比較

如圖2與圖3所示的解決方案，很難說哪一種解決方案就是一個高效的解決方案，這是因為整體效率取決于白光LED正向電壓、鋰離子電池放電特性及白光LED電流等具體應(yīng)用參數(shù)等?；陔姾杀玫慕鉀Q方案的典型效率曲線如圖2-58所示。當(dāng)變換器工作在1倍壓模式情況下時，增益為1，輸入電壓范圍從4.2V降至3.6V不等，效率水平高于75%。在1倍壓模式中，輸入電壓經(jīng)穩(wěn)壓降至白光LED的正向電壓，通常為3.1～3.5V。1倍壓模式的另一優(yōu)點是：開關(guān)器件不工作在開關(guān)狀態(tài)，因此可以避免EMI問題。

圖2 TPS6l062升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動白光LED的典型電路

圖3 電荷泵解決方案的典型效率曲線

但是，由于LED正向電壓及驅(qū)動器IC內(nèi)部電壓下降的情況不同，在驅(qū)動器從1倍壓模式轉(zhuǎn)為升壓模式(boost mode)而采用的增益為1.5倍壓時，效率會大幅下降。在升壓模式下，開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，輸出電壓為輸入電壓的1.5倍，這需要對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使電壓降至白光LED所需正向電壓的水平，這就降低了效率。因此，驅(qū)動器工作在1倍壓模式下，其時間越長，電荷泵效率就越高。

與電荷泵解決方案不同，升壓變換器TPS61062解決方案的典型效率曲線如圖4所示。在鋰離子電池的整個輸入電壓范圍下，其效率均可達(dá)到75%～80%。某些升壓變換器解決方案在使用外部校正二極管的情況下，其效率甚至高達(dá)85%。若TPS61042驅(qū)動白光LED少于5個，那么效率還會提高，因為輸入到輸出的電壓轉(zhuǎn)換比較低?？傮w說來，升壓變換器的效率比電荷泵解決方案略高，特別在為4個以上白光LED供電時更是如此。

圖4 升壓轉(zhuǎn)換器TPS61062解決方案的典型效率曲線

2.電荷泵與升壓變換器占板面積的比較

過去，電荷泵解決方案是有明顯的優(yōu)勢的，這主要是因為升壓變換器采用了較大的電感器和外部肖特基二極管。隨著最新技術(shù)的發(fā)展及更高的集成度，升壓變換器的尺寸大小也達(dá)到了與電荷泵解決方案大致相當(dāng)?shù)乃健Ｓ捎陔姾杀抿?qū)動器所需的引腳數(shù)量較大，因此器件封裝也相應(yīng)較大，需要兩個外部泵電容，在這種情況下，電荷泵解決方案的占板面積大小與升壓變換器相當(dāng)，甚至還要再大些。如果將升壓變換器的開關(guān)頻率上升至高達(dá)1MHz，就能使用小型的電感器和小容量的輸出和輸入電容。如TPS61062可用其內(nèi)部控制回路來控制電感器電流，正常工作時電感器電流通常小于最大交換電流。這時就可采用較小的電感器，使其最大額定電流剛好達(dá)到電感器的最大峰值電流。如向4個白光LED供電時，采用飽和電流為200mA的電感器就足夠了。如果沒有特定的內(nèi)部環(huán)路設(shè)計，電感器的飽和電流必須為400mA的額定值，這就要求更大的電感器，從而會占用更大的占板面積。

3.電荷泵與升壓變換器組件高度的比較

當(dāng)組件高度小于1mm的情況下，電感器會相當(dāng)大。因此當(dāng)需要組件高度必須小于1mm時，電荷泵解決方案是更好的選擇。

4.電荷泵與升壓變換器EMI的比較

在考慮到EMI問題時，應(yīng)分析升壓變換器的電感器帶來的EMI問題。通常來說，可能的電磁輻射不會是大問題，因為RE敏感區(qū)周圍的電感器是屏蔽的，故電感式升壓變換器造成EMI問題的原因為：輸入和輸出電壓濾波不足從而產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，或印制電路板(PCB)布局或布線不理想而產(chǎn)生電磁干擾。

在鋰離子電池供電的無線電子設(shè)各中，白光LED驅(qū)動器的開關(guān)噪聲會進(jìn)入RF系統(tǒng)，與白光LED驅(qū)動器的輸入耦合。帶有脈動輸入電流的白光LED驅(qū)動器，其輸入端直接連接至電池電極端。由于RE部分也由電池供電，因此白光LED驅(qū)動器輸入端的開關(guān)噪聲也存在于電

池連接處，同時也存在于RF電路的輸入端，這就會導(dǎo)致嚴(yán)重的干擾。為了明確哪種白光LED驅(qū)動器解決方案在傳導(dǎo)EMI方面的性能更好，應(yīng)比較升壓變換器與電荷泵解決方案的輸入電壓紋波。

一種*估解決方案的辦法就是用頻譜分析儀檢查輸入端，如果器件以固定的開關(guān)頻率工作，那么頻譜將顯示基波的開關(guān)頻率及其諧波。

開關(guān)頻率為1MHz的升壓變換器的輸入頻譜如圖5所示，由圖5可知諧波在更高的開關(guān)頻率上。為了將RE部分的干擾降至最低，基波頻率及其諧波應(yīng)盡可能高，振幅則應(yīng)保持較低。這是因為變換器的開關(guān)頻率會與發(fā)射機(jī)的載頻相混合，使邊帶也有載頻。邊帶出現(xiàn)在發(fā)射機(jī)的輸出頻帶中，剛好比發(fā)射機(jī)頻率高或低一個開關(guān)頻率。開關(guān)頻率越低，邊帶離載頻就越近，可降低發(fā)射機(jī)的信噪比;開關(guān)頻率越高，邊帶離載頻就越遠(yuǎn)，并加大發(fā)射機(jī)的信噪比。當(dāng)然，變換器開關(guān)頻率基波的振幅越低，信噪比就越高。正因為如此，固定的變換器開關(guān)頻率等于及高于1MHz時，通常適合大多數(shù)應(yīng)用的要求。

圖5 開關(guān)頻率為1MHz的升壓變換器的輸入頻譜

在相同設(shè)置下，電荷泵解決方案的輸入紋波電壓是升壓變換器解決方案的兩倍。這是由于電荷泵工作于1.5倍壓模式下會產(chǎn)生幾乎為方形波的輸入電流。作為輸入濾波器，電荷泵只有輸入電容，而升壓變換器帶有電感及輸入電容，可更好地完成輸入濾波器的工作，從而實現(xiàn)較低的輸入電壓紋波。為了進(jìn)一步降低輸入電壓紋波，在采用升壓變換器及電荷泵解決方案時最有效的方法就是增加輸入電容的值。對于非常敏感的應(yīng)用場合，還可考慮增加額外的LC輸入濾波器或采用較小的鐵氧體磁珠。

可以清楚地看到，電荷泵解決方案滿足不了所有的應(yīng)用需求，升壓變換器解決方案也是如此。選擇解決方案時要根據(jù)具體的最終應(yīng)用要求及關(guān)鍵參數(shù)來考慮。此外，電荷泵解決方案在EMI方面并不優(yōu)于升壓變換器解決方案。表1歸納了選擇電荷泵或升壓變換器解決方案時的重要選擇標(biāo)準(zhǔn)。

表1 電荷泵與升壓變換器解決方案的比較