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白光LED驱动电路的设计

LED之家  于2009-01-18 00:06:27  http://www.ledjia.com/ledhangye/viewarticle.php?id=718

文章摘要:白光LED驱动电路的设计2007年7月31日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VFB与内部基准电压Vref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

白光LED驱动电路的设计

2007年7月31日

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VFB与内部基准电压Vref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Tr1、R1、R2及IC1。图2所示电路中的Tr1输出电压VSENS与白光LED的电流ILED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VSENS

② 利用输出电压VSENS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Tr1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ILEDavg可用下式计算:

(3)

式中:ILED(max)为开关变换器的输出电流;SDUTY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RL。由于内部基准电压V ref为0.6V,因此负载阻抗RL可按下式计算:

(4)

② 内部振荡器的电容量CX。CX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CX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(RSET)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RSET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RSENSE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,CCOMP=150nF,COUT=1.0μF,RSENSE=5Ω。白光LED的电流由控制电压确定:

IOUT=VCTRL/13.33~VCTRLRSENSE (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FS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:IOUT是白光LED的电流(最大值为0.02A);VOUT是输出电压(最大值为16V);VIN是输入电压(最小值为2.7V);VF是逆向电压保护二极管的正向电压,取0.4V;Ilim是峰值开关电流(为0.4A,由控制拓扑决定);LOUT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。


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