白光LED驅(qū)動電路拓撲的選擇

白光LED驅(qū)動電路拓撲有升壓變換器或電荷泵兩種電路拓撲可供選擇，具體選擇時要考慮兩種解決方案的所有具體因素。不同的最終應(yīng)用對白光LED驅(qū)動器的要求可能差別極大，這點非常重要。若用白光LED作為LCD背光源，組件高度可能是最重要的設(shè)計參數(shù)，而對于個入數(shù)字助理(PDA)顯示器而言，最重要的設(shè)計參數(shù)則可能是效率問題。采用TPS60230電荷泵驅(qū)動白光LED的典型應(yīng)用電路如圖1所示。TPS60230由鋰離子電池直接供電，其典型輸入電壓范圍為3.0～4.2V，可同時為最多5個白光LED供電，每個白光LED的電流為20mA。

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。基于電荷泵的解決方案的典型效率曲線如圖2-58所示。當變換器工作在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到了與電荷泵解決方案大致相當?shù)乃?。由于電荷泵?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，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

當組件高度小于1mm的情況下，電感器會相當大。因此當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)射機的載頻相混合，使邊帶也有載頻。邊帶出現(xiàn)在發(fā)射機的輸出頻帶中，剛好比發(fā)射機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)射機的信噪比;開關(guān)頻率越高，邊帶離載頻就越遠，并加大發(fā)射機的信噪比。當然，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。