LED驅(qū)動(dòng)探討

　　如今，眾多的便攜電子產(chǎn)品均需要背景燈LED驅(qū)動(dòng)器解決方案，其具有以下特性：直流控制、高效率、PWM調(diào)光、過壓保護(hù)、負(fù)載斷開、小型尺寸以及簡便易用。本文將探討每種LED驅(qū)動(dòng)器的特性以及實(shí)現(xiàn)這些特性的方法，最后將說明具備每種特性的典型電路。　　

　　直流控制

　　LED是由電流驅(qū)動(dòng)的器件，其亮度與正向電流呈比例關(guān)系。有兩種方法可以控制正向電流。第一種方法是采用LED V-I曲線來確定產(chǎn)生預(yù)期正向電流所需要向LED施加的電壓。其實(shí)現(xiàn)方法一般采用一個(gè)電壓電源和一個(gè)鎮(zhèn)流電阻器。圖1說明了這種方法。如下所述，此方法有多項(xiàng)不足之處。LED正向電壓的任何變化都會導(dǎo)致LED電流的變化。如果額定正向電壓為3.6V，則圖1中LED的電流為20mA。如果電壓變?yōu)?4.0V，這是溫度或制造變化引起的特定壓變，那么正向電流則降低到14mA。正向電壓變化11％會導(dǎo)致更大的正向電流變化，達(dá)30％。另外，根據(jù)可用的輸入電壓，鎮(zhèn)流電阻的壓降和功耗會浪費(fèi)功率和降低電池使用壽命。

　

圖1：帶鎮(zhèn)流電阻的電壓電源導(dǎo)致效率降低和正向電流失配

　　第二種方法、也是首選的LED電流調(diào)整方法是利用恒流電源來驅(qū)動(dòng)LED。恒流電源可消除正向電壓變化所導(dǎo)致的電流變化。因此可產(chǎn)生恒定的LED亮度，無論正向電流如何變化。產(chǎn)生恒流電源很容易。只需要調(diào)整通過電流檢測電阻器的電壓，而不用調(diào)整電源的輸出電壓。圖2說明了這種方法。電源參考電壓和電流檢測電阻器值決定了LED電流。在驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED時(shí)，只需把它們串聯(lián)就可以在每個(gè)LED中實(shí)現(xiàn)恒定電流。驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED需要在每個(gè)LED串中放置一個(gè)鎮(zhèn)流電阻，這會導(dǎo)致效率降低和電流失配。

　

圖2：驅(qū)動(dòng)LED的恒流電源{{分頁}}
　

　　高效率

　　便攜式應(yīng)用中電池使用壽命是至關(guān)重要的。LED驅(qū)動(dòng)器如果實(shí)用，就必須具備高效性。LED驅(qū)動(dòng)器的效率測量與典型電源的效率測量不同。典型電源效率測量的定義是輸出功率除以輸入功率。而對于LED驅(qū)動(dòng)器來說，輸出功率并非相關(guān)參數(shù)。重要的是產(chǎn)生預(yù)期LED亮度所需要的輸入功率值。這可以簡單地通過使LED 功率除以輸入功率來確定。請注意：如果這樣定義效率的話，則電流檢測電阻器中的功耗會導(dǎo)致電源功率耗散。通過圖3所示的公式，我們可以看出較小的電流傳感電壓會產(chǎn)生較高效率的LED驅(qū)動(dòng)器。圖4說明了選用0.25V參考電壓的電源與選用1V參考電壓的電源相比，二者的效率提高情況。較低的電流傳感電壓電源更為有效，無論輸入電壓或LED電流如何，只要其他條件相同，較低的參考電壓都可以提高效率并延長電池的使用壽命。

　

圖3：LED驅(qū)動(dòng)器效率顯示了電流檢測電阻器損耗的重要性

圖4：低電流傳感電壓更有效

　　PWM調(diào)光

　　許多便攜式LED應(yīng)用都需要進(jìn)行光度調(diào)節(jié)。在LCD背光等應(yīng)用中，調(diào)光功能可提供亮度及對比度調(diào)節(jié)。我們可采用兩種調(diào)光方法：模擬與 PWM。利用模擬調(diào)光，通過向LED施加50％的最大電流可實(shí)現(xiàn)50％的亮度。這種方法的缺點(diǎn)是會出現(xiàn)LED顏色偏移并且需要采用模擬控制信號，因此使用率一般不高。以更低忙閑度向LED施加滿電流可實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。在50％忙閑度施加滿電流可達(dá)到50％亮度。為確保人的肉眼看不到PWM脈沖，PWM信號的頻率必須高于100Hz。最大PWM頻率取決于電源啟動(dòng)與響應(yīng)時(shí)間。為提供最大的靈活性以及集成簡易性，LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)能夠接受高達(dá)50kHz的PWM 頻率。

　　過壓保護(hù)

　　在恒流模式中操作電源需要采用過壓保護(hù)功能。無論負(fù)載為多少，恒流電源都可產(chǎn)生恒定輸出電流。如果負(fù)載電阻增大，電源的輸出電壓也必須隨之增大。這就是電源保持恒流輸出的方法。如果電源檢測到過大的負(fù)載電阻，或者負(fù)載斷開的話，輸出電壓可提高到超出IC或其他分立電路元件的額定電壓范圍。恒流 LED驅(qū)動(dòng)器可采用多種過壓保護(hù)方法。其中一個(gè)方法是使齊納二極管與LED并聯(lián)。這種方法可以將輸出電壓限制到齊納擊穿電壓和電源的參考電壓。在過壓條件下，輸出電壓會提高到齊納擊穿點(diǎn)并開始傳導(dǎo)。輸出電流會通過齊納二極管，然后通過電流檢測電阻器接地。在齊納二極管限制最大輸出情況下電源可連續(xù)產(chǎn)生恒定的輸出電流。更佳的過壓保護(hù)方法是監(jiān)控輸出電壓并在達(dá)到過壓分界點(diǎn)時(shí)關(guān)閉電源。如果出現(xiàn)故障，在過壓條件下關(guān)斷電源可降低功耗并延長電池使用壽命。{{分頁}}

　　負(fù)載斷開

　　LED驅(qū)動(dòng)電源中一個(gè)經(jīng)常被忽視的功能是負(fù)載斷開。在電源失效時(shí)負(fù)載斷開功能可以把LED從電源斷開。這種功能在下列兩種情況下至關(guān)重要，即斷電和PWM 調(diào)光。如圖2所示，在升壓轉(zhuǎn)換器斷電期間，負(fù)載仍然通過電感器和捕獲二極管與輸入電壓連接。由于輸入電壓仍然與LED連接，即使電源已經(jīng)失效，就會繼續(xù)產(chǎn)生一個(gè)小電流。即使很小的泄漏電流也會在很長的空閑期間極大縮短電池壽命。負(fù)載斷開在PWM調(diào)光時(shí)也很重要。在PWM空閑期間，電源已經(jīng)失效，但是輸出電容器仍然與LED連接。如果沒有負(fù)載斷開功能，輸出電容器會通過LED放電，直到PWM脈沖再次打開電源。由于電容器在每個(gè)PWM循環(huán)開始都部分放電，一次電源必須在每個(gè)PWM循環(huán)開始時(shí)給輸出電容器充電。因此會在每個(gè)PWM循環(huán)產(chǎn)生突入電流脈沖。突入電流會降低系統(tǒng)效率并在輸入總線上產(chǎn)生瞬時(shí)電壓。而如果具有負(fù)載斷開功能，LED就會從電路斷開，這樣，在電源失效時(shí)就不會存在泄漏電流，而且在PWM調(diào)光循環(huán)之間輸出電容器都是充滿的。實(shí)施負(fù)載斷開電路時(shí)最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個(gè)MOSFET。在電流傳感電阻器和接地之間放置MOSFET會產(chǎn)生一個(gè)附加壓降，其在輸出電流設(shè)定點(diǎn)會把自身顯示為一個(gè)差錯(cuò)。

　　簡便易用

　　簡便易用是相對而言的。在評估電路的簡便易用性時(shí)，不但必須考慮初始設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且還必須要考慮在未來進(jìn)行快速修改并把電路用于其他有不同輸入或輸出要求的程序時(shí)需要做的工作?？傊?，滯后控制器非常簡便易用。滯后控制器可消除傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中必需的復(fù)雜頻率補(bǔ)償功能。雖然頻率補(bǔ)償對于有經(jīng)驗(yàn)的電源設(shè)計(jì)人員來說是小菜一碟，但是對于新手來說就不那么輕松了。由于最佳的補(bǔ)償隨輸入和輸出條件的不同而不同，傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)針對不同操作條件的快速修改。而滯后控制器具有內(nèi)在的穩(wěn)定性從而在輸出/輸出條件改變時(shí)無需改變。

　　小尺寸

　　小尺寸是便攜式電路的一個(gè)重要特性。電路元件的尺寸受多種因素的影響。其中一個(gè)因素是切換頻率。高切換頻率允許采用小型無源元件。用于便攜應(yīng)用的現(xiàn)代 LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)能夠以高達(dá)1MHz頻率切換。由于切換頻率并不能明顯縮小電路尺寸，而且較高的切換損耗會降低效率和縮短電池壽命，所以建議切換頻率一般不超過1MHz。把各種功能集成到控制IC是實(shí)現(xiàn)小型驅(qū)動(dòng)解決方案的一個(gè)最重要的因素。如果上述所有功能都通過分離的元件實(shí)現(xiàn)的話，它們所需要的電路板空間將超出電源自身占用的空間。把它們集成到控制IC可大大縮小整體驅(qū)動(dòng)器尺寸。功能集成的第二個(gè)同樣重要優(yōu)勢是可以降低解決方案總成本。如果分步執(zhí)行的話， LED驅(qū)動(dòng)器中所有預(yù)期功能會導(dǎo)致每額外個(gè)別成本增加0.60～0.70美元。而當(dāng)集成到控制IC時(shí)，這些功能只會增加IC成本0.10～0.15美元。

　　實(shí)用解決方案

　　TPS61042是現(xiàn)代LED驅(qū)動(dòng)器控制IC的絕佳例子。圖5說明TPS61042的方框圖。方框圖顯示一個(gè)高度集成的控制IC。Q1是一個(gè)低電阻集成電源FET。此部件的低電阻有助于實(shí)現(xiàn)極高的效率。0.25V參考電壓可降低電流傳感電阻器中的損耗。通過在高達(dá)50kHz頻率情況下向CTRL引腳施加 PWM信號，此IC可以輕松實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。Q2實(shí)現(xiàn)集成的負(fù)載斷開電路。由于已經(jīng)集成，負(fù)載斷開電路可以與PWM調(diào)光頻率完美同步。過壓保護(hù)功能也已經(jīng)集成到IC中。大多經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計(jì)人員都會看出省略了誤差信號放大器和相關(guān)補(bǔ)償電路。這種功能已經(jīng)被誤差比較儀所取代。該IC利用滯后控制反饋拓?fù)涔ぷ鳎虼瞬恍枰a(bǔ)償并且具有內(nèi)在穩(wěn)定性。在方框圖中未顯示IC物理尺寸。全部電路和功能都集成到3mm′3mm的QFN封裝中。圖6說明了一個(gè)典型LED 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，其驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED，正向電流為20mA，輸入電壓范圍為1.8V～6.0V。整個(gè)電路是由控制IC、2個(gè)小陶瓷帽、1個(gè)電感器、一個(gè)二級管和1 個(gè)電流傳感電阻器組成。這種緊湊、高度集成的電路說明了利用當(dāng)今的LED驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)的高水平集成。利用控制IC和6個(gè)小表面貼裝無源元件就可以實(shí)現(xiàn)主要電源功能和輔助功能，如：負(fù)載斷開、過壓保護(hù)、PWM調(diào)光等。{{分頁}}

　

圖5：TPS61042方框圖說明了高水平集成

　

圖6：典型TPS61042 LED驅(qū)動(dòng)器解決方案