淺談白光LED電源的設(shè)計(jì)技巧

　　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。與常用的冷陰極熒光照明 （CCFL） 背光相比，由于白光 LED 的功耗更低且要求更小的空間，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。

　　任務(wù)

　　一旦為白光 LED 選定了電源以后，對(duì)于一個(gè)便攜式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其主要的要求就是效率、整體解決方案尺寸、解決方案成本以及最后一項(xiàng)但非常重要的電磁干擾 （EMI） 性能。根據(jù)便攜式系統(tǒng)的不同，對(duì)這些要求的強(qiáng)調(diào)程度也不盡相同。效率通常是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)中最重要或次重要的考慮因素，因此在選擇電源時(shí)，要認(rèn)真考慮這一因素。圖 1 示顯示了白光 LED 電源的基本電路。

　　圖 1 一個(gè)優(yōu)異的效率需要一個(gè)可變轉(zhuǎn)換增益 M

　　該鋰離子 （Li-Ion） 電池具有一個(gè)介于 2.7V～4.2V 的電壓范圍。該電源的主要任務(wù)是為白光 LED 提供一個(gè)恒定的電流和一個(gè)典型的 3.5V 正向電壓。

　　與充電泵解決方案相比，升壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)更高的效率

　　一般來(lái)說(shuō)，用于驅(qū)動(dòng)白光 LED 的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種：即充電泵或開關(guān)電容解決方案和升壓轉(zhuǎn)換器。這兩款解決方案均可提供較高的輸出和輸入電壓。二者主要的不同之處在于轉(zhuǎn)換增益 M=Vout/Vin，該增益將直接影響效率；而通常來(lái)說(shuō)，充電泵解決方案的轉(zhuǎn)換增益是固定不變的。一款固定轉(zhuǎn)換增益為 2 的簡(jiǎn)單充電泵解決方案通常會(huì)產(chǎn)生比 LED 正向電壓高很多的電壓，如方程式 （1） 所示。其將帶來(lái)僅為 47% 的效率，如方程式 （2） 所示。

　　式中 Vchrgpump 為充電泵 IC 內(nèi)部產(chǎn)生的電壓，VBat 為鋰離子電池的典型電池電壓。充電泵需要提供一個(gè)恒定的電流以及相當(dāng)于 LED 3.5V 典型正向電壓的輸出電壓。通常，固定轉(zhuǎn)換增益為 2 的充電泵會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)更高的電壓 （1），從而引起內(nèi)部壓降，并降低整體系統(tǒng)效率 （2）。更為高級(jí)的充電泵解決方案通過(guò)在 1.5 和 1 轉(zhuǎn)換增益之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換克服了這一缺點(diǎn)。這樣就可以在電池電壓稍微高于 LED 電壓時(shí)實(shí)現(xiàn)在 90%～95% 效率級(jí)別之間運(yùn)行，從而充許使用增益值為 1 的轉(zhuǎn)換增益。方程式 （3） 和方程式 （4） 顯示了這一性能改進(jìn)：

　　當(dāng)電池電壓進(jìn)一步降低時(shí)，充電泵就需要轉(zhuǎn)換到 1.5 增益，從而使效率下降至 60%～70%，如示例 （5） 和 （6） 所示。

　　圖 2 充電泵解決方案的效率變化

　　轉(zhuǎn)換增益為 2 的真正的倍壓充電泵具有非常低的效率（低至 40%），且對(duì)便攜式設(shè)備沒(méi)有太大的吸引力；而具有組合轉(zhuǎn)換增益（增益為 1.0 和 1.5）的充電泵則顯示出了更好的效果。這樣一款充電泵接下來(lái)的問(wèn)題就是從增益 M=1.0 向 M=1.5的轉(zhuǎn)換點(diǎn)轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)榘l(fā)生增益轉(zhuǎn)換后效率將下降至 60% 的范圍。當(dāng)電池可在大部分時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)行的地方發(fā)生效率下降（轉(zhuǎn)換）時(shí)，整體效率會(huì)降低。因此，在接近 3.5V 的低電池電壓處發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)高效率。但是，該轉(zhuǎn)換點(diǎn)取決于 LED 正向電壓、LED 電流、充電泵 I2R 損耗以及電流感應(yīng)電路所需的壓降。這些參數(shù)將把轉(zhuǎn)換點(diǎn)移至更高的電池電壓。因此，在具體的系統(tǒng)中必須要對(duì)這樣一款充電泵進(jìn)行精心評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)高效率數(shù)值。

　　計(jì)算得出的效率數(shù)值顯示了充電泵解決方案最佳的理論值。在現(xiàn)實(shí)生活中，根據(jù)電流控制方法的不同會(huì)發(fā)生更多的損耗，其對(duì)效率有非常大的影響。除了 I2R 損耗以外，該器件中的開關(guān)損耗和靜態(tài)損耗也將進(jìn)一步降低該充電泵解決方案的效率。

　　通過(guò)使用一款感應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器可以克服這些不足之處，該升壓轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)可變轉(zhuǎn)換增益 M，如方程式 （7） 和圖 3 所示。

　　圖 3 升壓轉(zhuǎn)換器的可變轉(zhuǎn)換增益 M