白光LED驱动电路的设计

白光LED驱动电路的设计

1、 白光LED基本驱动电路

由开关变换器构成的LED基本驱动电路如图1所示，反馈电压V_FB与内部基准电压V_ref进行比较后控制变换器的输出电压。如果将环境的亮度也列入白光LED亮度控制电路，图1所示的白光LED驱动电路应改进为图2所示的电路。图2所示电路与图1所示电路的最大差异点是，图2所示 电路增加了T_r1、R₁、R₂及IC₁。图2所示电路中的T_r1输出电压V_SENS与白光LED的电流I_LED可用下式表示；

（1）

此处假设R₁=R₂，则式（1）改写为

（2）

对于利用上式驱动白光LED的场合，必须作下列调整：

① 为获得周围亮度，必须调整照度感测器的输出电压V_SENS。

② 利用输出电压V_SENS调整白光LED的亮度。

2、 利用PWM信号控制白光LED亮度的驱动电路

图2所示的驱动电路是采用反馈电压进行LED亮度控制的，而图3所示的电路是采用PWM信号控制白光LED的亮度。如图3所示电路中，IC的EN端子是可使开关变换器作ON/OFF模式运行的端子，如果对EN端子施加PWM信号，白光LED会以某种速度作ON/OFF模式运行，进而实现LED亮度的控制。此电路中T_r1的输出信号需经A/D转换器转换为数字信号。白光LED的平均电流I_LED（avg）可用下式计算：

（3）

式中：I_LED(max)为开关变换器的输出电流；S_DUTY为PWM信号的占空因子（%）。

图4是NJU6052的内部电路方框图，它包括电压调整器、设定电路、A/D变换器、PWM控制器以及可由微控制器设定内部阻抗值与动作模式的串行接口等。NJU6052内部共有8个设定电阻，每个电阻都可任意设成6位，各电阻可利用环境照度检测晶体管产生的输入电压选择，以实现白光LED亮度由64阶段中的任意8阶段控制，此外可根据环境照度由微控器直接控制亮度。

由图5可知，NJU6052除了可以用于升压与亮度控制之外，电路本身的外置元件非常少。NIU6052的各元件参数取决于下列条件：

① 负载阻抗R_L。由于内部基准电压V _ref为0.6V，因此负载阻抗R_L可按下式计算：

（4）

② 内部振荡器的电容量C_X。C_X可利用图6的坐标图求得。由于振荡频率f _OSC介于350kHz和500kHz之间，因此内部振荡器的电容量C_X为47~68pF。

③ L₁的电感值。L₁的电感值可用下式计算：

（5）

④ 二极管的选用。二极管额定电流与反向耐压在选择时要留有一定的裕度，具体参数应根据开关变换器的输出电压和电流来选择。二极管的正向电压越低，开关的速度越快，转换效率就越高。

⑤ 电容器的选用。输入端可选用陶瓷电容器，组装时尽量靠近NIU6052。基于抑制波纹电压等方面的考虑，输出电容应选用低ESR的电容。

3、 调光改变光强功能

采用MAX1916同时驱动三只并联的LED的电路如图7所示。图7所示电路的单个外部电阻（R_SET）用于设定流经每个白光LED的电流值。在MAX1916的使能引脚（EN）上加载脉宽调制信号，可以实现简单的亮度控制（调光功能）。

图7所示电路除MAX1916（小巧的6引脚SOT-23封装）和几个旁路电容之外，仅需要一个外部电阻。MAX1916具有极好的电流匹配度，不同LED之间的差别仅为0.3%，因此每只白光LED具有一致的白光亮度。

某些便携式设备根据环境光线条件来调节其光输出亮度，有些设备在一段较短的空闲时间之后通过软件降低其光强。这都要求白光LED驱动电路具有可调光强的功能，并且这样的调节应该以同样的方式去控制每路正向电流，以避免可能的色彩坐标偏移。利用小型D/A变换器控制流以R_SET电阻的电流可以得到均匀的亮度。

6位分辨率的变换器，比如带有I²C接口的MAX5362或者带有SPI接口的MAX5365，能够提供32级亮度调节，如图8所示。由于正向电流会影响色彩坐标，因此白光LED发出的白光会随着光强的变化而改变。因为相同的正向电流会使得这个组里的每个白光LED都发出同样的光。

使色彩坐标不发生移动的调光方案叫做脉宽调制。它能够由绝大多数可以提供使能或者关断控制功能的电源器件实现。例如，通过拉低EN电平禁止器件工作时，MAX1916可以将流经白光LED的泄漏电流限定在1μA，使发射光为零。拉高EN电平可以控制白光LED的正向电流。如果给EN引脚加脉宽调制信号，那么亮度就与该信号的占空比成正比。

由于流经每只白光LED的正向电流持续保持一致，因而色彩坐标不会偏移，但是肉眼会感觉到占空比改变带来的光强变化。人眼无法分辨超过25Hz的频率，因此200~300Hz的开关频率是PWM调光的很好选择。PWM信号可以由微处理器的I/O引脚或其外部设备提供，控制等级取决于所用的计数寄存器的字节长度。

MAX1916内部配置有三路可调电流源，可驱动多种LED，直接采用单节锂离子电池供电可驱动红光、绿光或黄光GaAsP LED；配合电荷泵升压变换器，MAX1916还可用于驱动白光InGaN LED。对于有更高功率要求的应用，需采用基于电感的MAX1848变换器，外部只需要极少的组件，输出功率为800mW时转换效率达88%。

4、 具有电流控制功能的开关模式升压变换器

开关模式电压变换器MAX1848可以产生最高为13V的输出电压，足以驱动三个串联的白光LED，如图9所示。这种方法也许是最简洁的，因为所串接的白光LED具有完全相同的电流。白光LED的电流由R_SENSE与施加在CTRL引脚上的电压共同决定。MAX1848可以驱动几只串联的白光LED，这些白光LED都具有相同的正向电流。通过白光LED的正向电流与施加在CTRL引脚的电压成正比。由于当施加在CTRL引脚上的电压低于100mV时MAX1848会进入关断模式，这样也可以实现PWM调光功能。

MAX1848将升压变换器与电流控制电路集成在6引脚SOT-23封装内，利用电流检测驱动三组LED，每组白光LED包括三只串行连接的白光LED，如图10所示。输入电压范围为2.6~5.5V。MAX1848利用电压反馈结构调节流过LED的电流，较小的检流电阻（5Ω）有利于降低功耗和保持较高的转换效率。模拟控制器用于控制所有白光LED的亮度。典型应用电路的参数为：L₁=33μH，C_COMP=150nF，C_OUT=1.0μF，R_SENSE=5Ω。白光LED的电流由控制电压确定：

I_OUT=V_CTRL/13.33~V_CTRLR_SENSE （6）

白光LED的亮度可以通过CTRL引脚的D/A变换器或电位器分压电路调节。电压控制范围为+250mV~+5.5V，将控制引脚接地可实现关断。负载功率为800mW时电路转换效率达88%。

5、 白光LED驱动器设计

在许多白光LED的背光应用中，屏幕都需要背光调整功能，例如PDA等产品在使用中就能调整屏幕亮度，以适应周围环境。还有许多产品的处理器会在系统闲置一段时间后，自动降低或切断背光电源。调光功能的实现方式可分为两种：模拟方式和PWM方式。采用模拟方式调光技术时，只需将白光LED的电流降至最大值的一半，就能让屏幕亮度减少50%。这种方法的缺点是：白光LED色移需要模拟控制信号。PWM方式调光技术在减少的电流占空周期内提供完整电流给白光LED，例如要将亮度减半，只需要50%的占空周期内提供完整的电流。PWM信号的频率通常会超过100Hz，以确保这个脉冲电流不会被眼睛察觉到，PWM频率的最大值需视电源的启动和反应时间而定。为了得到最大的灵活性，同时让实现更容易，白光LED驱动器最高应能接受50kHz的PWM频率。调光信号通常来自系统处理器的GPIO引脚。

在白光LED应用中，若出现开路故障，恒定电流的白光LED驱动器需要过电压保护。白光LED和驱动器通常在不同的电路板上，因此连接器的管脚松脱就会造成开路故障，另一个可能性则是白光LED造成开路。无论是哪一种情形，驱动器为了提供恒定电流，都会增加它的输出电压。此时若无过电压保护电路，输出电压很快就会升高，对驱动器或输出电容造成损害。保护驱动器最简单的方法是选择内置过电压比较器的白光LED驱动器，并利用此功能来限制最大输出电压，例如TPS61043就具备过电压保护功能。齐纳二极管也可用来限制最大输出电压，然而这种方法的效率很低，因为在故障情况下会有预先设定的最大电流通过齐纳二极管。

所有专为驱动白光LED而设计的集成电路都提供恒定电流，其中绝大多数是基于电感或电荷泵的解决方案，这两种解决方案各有其优缺点。电荷泵解决方案是利用分立电容将电源从输入端传送至输出端，整个过程不需要使用任何电感，所以是应用得较为广泛的驱动白光LED的解决方案。电荷泵电源的体积很小，设计也很简单，选择元件时通常只需根据元件规格从中选择适当的电容。电荷泵解决方案的主要缺点是只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵的输出电压最多只能达到输入电压的两倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的两倍。因此，若想利用电荷泵驱动一只以上的白光LED，就必须采用并联驱动的方式。而利用输出电压进行稳压的电荷泵驱动多只白光LED时，必须使用限流电阻来防止电流分配不平均，但这些电阻会降低电池的使用效率。

电感式驱动电路体积小、效率高，适合为绝大多数便携式电子产品提供更长的电池使用时间。在应用中可以调整电感式变换器的效率，以便在体积和效率之间取得最佳平衡。由于大多数电感式解决方案都是采用升压变换器，如图11所示的升压式解决方案最多能驱动六只或七只串联的白光LED。这种做法的优点是，因为许多显示器内置的白光LED都采用串联模式，即使未将白光LED内置于显示器屏幕中，但大多数还是将它们串联在一起。背光驱动器和白光LED通常会在不同的电路板上，因此必须将电源从一块电路板连接至另一块电路板。驱动五只并联的白光LED共需使用连接器的六个管脚，而驱动串联在一起的五只白光LED只需要两个管脚。

6、 设计实例

多功能移动电话屏幕的白光LED驱动器的电源是由输入电压在2.7V和4.2V之间的锂离子电池供应的。移动电话屏幕内置四只串联的白光LED，每只的最大正向电流为20mA，这种设计需要20mA最大输出电流和16V电压。该移动电话规格要求具有屏幕亮度调整功能，移动电话在闲置一般时间后能够逐渐降低屏幕亮度。系统处理器负责提供PWM调光功能所需的数字信号。电池使用寿命是主要考虑的因素，因此效率应尽量提高。移动电话屏幕大约有98%的时间处于待机模式，因此要求白光LED驱动器电源具有负载切断功能，以便延长电池的使用时间。移动电话受到体积限制，需要小型的集成化解决方案，采用TPS61043能满足这些要求。它是电感式升压变换器，内置功率FET管，它也是专为白光LED而设计的驱动器。TPS61043还提供负载切断、过电压保护和PWM调光功能，其1MHz的开关频率能够使用体积最小的外部元器件。

（1） 检测电阻的选择

采用TPS61043构成白光LED驱动器电源的外部电路的设计主要是如何正确选择外部元器件，同时完成适当的电路布局。电流检测电阻值是由TPS61043的参考电压0.252V除以所要求的白光LED的最大电流0.02A来决定的，即电流检测电阻值为12.6Ω，电阻的功耗为5mW，因此可选择0402型电阻器以节省电路板面积。

（2） 电感的选择

选择适当的电感不仅可确保设计符合效率要求，而且也能满足有限的电路板面积要求。选择电感时必须考虑的三项参数有：电感值、饱和电流和线圈阻抗（DCR）。如同所有的开关式变换器一样，选择电感就是在效率和电路板面积间作出折中考虑，较大的电感值可提供更小的阻抗、更高的效率和更大的饱和电流额定值，较小的电感则使用较小的电路板面积，饱和电流额定值也较小，但线圈阻抗却比较大，因此整体效率较低。

在传统的升压式变换器中，输出电感和电容会决定变换器的反馈回路是否稳定，因此被选中的电感、电容和补偿网络的器件都必须经过测试，确保电路能够稳定工作。TPS61043采用先进的控制电路，无论采用多大的电感值，电路都能确保电源工作稳定，因此不必考虑反馈补偿的问题。在这个控制电路中，开关频率F_S由电感值、输入电压、输出电压和负载电流所决定，其计算公式如下：

（7）

式中：I_OUT是白光LED的电流（最大值为0.02A）；V_OUT是输出电压（最大值为16V）；V_IN是输入电压（最小值为2.7V）；V_F是逆向电压保护二极管的正向电压，取0.4V；I_lim是峰值开关电流（为0.4A，由控制拓扑决定）；L_OUT是电感值。

既然电感的体积是重要的设计参数，电源当然应使用很高的开关频率，但由于电感式变换器的开关损耗会受到开关频率的影响，因此频率越高通常就代表效率越低，而较低的开关频率可以提供较高效率。要如何选择最适当的开关频率，才能将变换器的开关损耗减至最少，这个问题目前仍没有任何最终方程式可供求解。典型的设计步骤是选择一个接近最大可能频率的频率来设计变换器，然后重新调整开关频率和测量工作效率，直到其参数达到满意为止。将开关频率任意设为700kHz，利用公式计算出电感值为4.8μH，实际电路采用4.7μH的标准电感。

无论电源或负载的状况如何，TPS61043控制电路都会将电感的峰值电流设为400mA，因此将电感的饱和设为400mA。第三项参数是线圈阻抗，它会决定电感的体积，并且对设计的整体效率有重大影响。本电路选用的电感是饱和电流为650mA的4.7μH电感，线圈阻抗为150mΩ（LQH32CN4R7）。这个电感的体积则只有8.2cm×2.5cm×1.55cm，故符合设计要求。

（3） 输入和输出电容的选择

输入电容能稳定电源的输入阻抗，这在电池供电型系统中极为重要，因为在电源的开关频率下，所有电池都会有很高的阻抗。若没有输入电容，开关式电源以脉冲形式自输入端汲取电流时，就会在输入电源线路上产生很大的电压纹波，进而冲击到系统的其余部分。TPS61043应使用4.7μF的陶瓷输入电容，但也可以采用更大的电容值。较小的电容值可以节省电路板面积和成本，但会增加输入的纹波电压。在不增加输入电容的前提下，减少输入纹波电压的方法之一是提高驱动器的开关频率，这可通过减少电感值来完成。在较高的开关频率下，电容阻抗变得较小，这能降低纹波电压。

开关式升压变换器的输出电容会直接影响输出纹波电压，由于电压对于白光LED驱动电路来说并不重要，因此可以使用低至0.1μF的输出电容。这么小的输出电容确实会造成很大的纹波电压，它会让白光LED出现很大的纹波电流。但因纹波电流并不会对白光LED造成什么影响，显示器的亮度是由白光LED的平均电流决定的，任何频率在100Hz以上的纹波电流都不会被眼睛察觉到。假设白光LED电流波形的峰值为30mA，谷值为10mA（平均值为20mA），那么它所产生的显示器亮度会和20mA直流电流完全相同。输出电容应选用陶瓷电容，而且它的电压额定值应该高于电源的工作电压，若输出电压为16V，则应选用额定电压为16V的电容，即使在故障情形下输出电压也只会上升至19V。因陶瓷电容在两倍的额定电压下才会损坏，所以16V的输出电容仍在可接受的范围内。对于要求使用寿命长或可靠性很高的产品，最好使用电压额定值较高的输出电容。

电源的逆向电压保护二极管的选择需要与电感相同的额定峰值电流，逆向电压额定值必须大于白光LED两端的电压。选择正向电压很小的肖特基二极管可以提供高效率。

（4） 布局布线

正确选择白光LED驱动器并为其设计外部器件，都只是电路设计过程的一部分。白光LED驱动电路必须正确布局才能正常工作，而且不会产生过多的系统噪声。图12给出了图11所示白光LED驱动器的电压和电流波形。在供电电源中，最重要的布局约束条件就是从VD₁经过输出电容到地，再进入TPS61043的地线管脚，然后从TPS61043的SW引脚离开，最后再回到VD₁。这个回路应该越短越好。C₁的位置必须靠近L₁，以提供波形A所示的脉冲电流。此电流从C₁出发，经过L₁到地线，然后再回到C₁，这个物理回路面积应尽量缩小。波形B是开关节点的电压波形，它会以每秒60万次的速度在地电位和输出电压之间切换，因此这个电路网络应该越短越好，并减少任何可能的电磁辐射。波形B会被分成波形C和D，这两个路径上的电流都非常不连续，因此路径长度必须尽量缩短，以减少电磁辐射和电路板的电压波动。输出电容的位置应很靠近电源，而不是靠近负载，这样所有开关电流将局限在电源端。由于电流是从电源流向白光LED，波形E几乎就是直流，负载端也不需要电容滤波。如果输出电容的位置靠近白光LED，电流就会在两块电路板之间流动，使得系统噪声增大。