白光LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

1、  白光LED基本驅(qū)動(dòng)電路

　　由開關(guān)變換器構(gòu)成的LED基本驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示，反饋電壓V_FB與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓V_ref進(jìn)行比較后控制變換器的輸出電壓。如果將環(huán)境的亮度也列入白光LED亮度控制電路，圖1所示的白光LED驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)改進(jìn)為圖2所示的電路。圖2所示電路與圖1所示電路的最大差異點(diǎn)是，圖2所示 電路增加了T_r1、R₁、R₂及IC₁。圖2所示電路中的T_r1輸出電壓V_SENS與白光LED的電流I_LED可用下式表示；

           （1）

　　此處假設(shè)R₁=R₂，則式（1）改寫為

                    （2）

對(duì)于利用上式驅(qū)動(dòng)白光LED的場(chǎng)合，必須作下列調(diào)整：

①     為獲得周圍亮度，必須調(diào)整照度感測(cè)器的輸出電壓V_SENS。

②     利用輸出電壓V_SENS調(diào)整白光LED的亮度。

2、  利用PWM信號(hào)控制白光LED亮度的驅(qū)動(dòng)電路

        圖2所示的驅(qū)動(dòng)電路是采用反饋電壓進(jìn)行LED亮度控制的，而圖3所示的電路是采用PWM信號(hào)控制白光LED的亮度。如圖3所示電路中，IC的EN端子是可使開關(guān)變換器作ON/OFF模式運(yùn)行的端子，如果對(duì)EN端子施加PWM信號(hào)，白光LED會(huì)以某種速度作ON/OFF模式運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LED亮度的控制。此電路中T_r1的輸出信號(hào)需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。白光LED的平均電流I_LED（avg）可用下式計(jì)算：

                      （3）

　　式中：I_LED(max)為開關(guān)變換器的輸出電流；S_DUTY為PWM信號(hào)的占空因子（%）。

　　圖4是NJU6052的內(nèi)部電路方框圖，它包括電壓調(diào)整器、設(shè)定電路、A/D變換器、PWM控制器以及可由微控制器設(shè)定內(nèi)部阻抗值與動(dòng)作模式的串行接口等。NJU6052內(nèi)部共有8個(gè)設(shè)定電阻，每個(gè)電阻都可任意設(shè)成6位，各電阻可利用環(huán)境照度檢測(cè)晶體管產(chǎn)生的輸入電壓選擇，以實(shí)現(xiàn)白光LED亮度由64階段中的任意8階段控制，此外可根據(jù)環(huán)境照度由微控器直接控制亮度。{{分頁(yè)}}

　　由圖5可知，NJU6052除了可以用于升壓與亮度控制之外，電路本身的外置元件非常少。NIU6052的各元件參數(shù)取決于下列條件：

①     負(fù)載阻抗R_L。由于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓V _ref為0.6V，因此負(fù)載阻抗R_L可按下式計(jì)算：

                           （4）

②     內(nèi)部振蕩器的電容量C_X。C_X可利用圖6的坐標(biāo)圖求得。由于振蕩頻率f _OSC介于350kHz和500kHz之間，因此內(nèi)部振蕩器的電容量C_X為47~68pF。

③     L₁的電感值。L₁的電感值可用下式計(jì)算：

                      （5）

④     二極管的選用。二極管額定電流與反向耐壓在選擇時(shí)要留有一定的裕度，具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)開關(guān)變換器的輸出電壓和電流來(lái)選擇。二極管的正向電壓越低，開關(guān)的速度越快，轉(zhuǎn)換效率就越高。

⑤     電容器的選用。輸入端可選用陶瓷電容器，組裝時(shí)盡量靠近NIU6052?；谝种撇y電壓等方面的考慮，輸出電容應(yīng)選用低ESR的電容。{{分頁(yè)}}

3、  調(diào)光改變光強(qiáng)功能

　　采用MAX1916同時(shí)驅(qū)動(dòng)三只并聯(lián)的LED的電路如圖7所示。圖7所示電路的單個(gè)外部電阻（R_SET）用于設(shè)定流經(jīng)每個(gè)白光LED的電流值。在MAX1916的使能引腳（EN）上加載脈寬調(diào)制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的亮度控制（調(diào)光功能）。

　　圖7所示電路除MAX1916（小巧的6引腳SOT-23封裝）和幾個(gè)旁路電容之外，僅需要一個(gè)外部電阻。MAX1916具有極好的電流匹配度，不同LED之間的差別僅為0.3%，因此每只白光LED具有一致的白光亮度。

　　某些便攜式設(shè)備根據(jù)環(huán)境光線條件來(lái)調(diào)節(jié)其光輸出亮度，有些設(shè)備在一段較短的空閑時(shí)間之后通過(guò)軟件降低其光強(qiáng)。這都要求白光LED驅(qū)動(dòng)電路具有可調(diào)光強(qiáng)的功能，并且這樣的調(diào)節(jié)應(yīng)該以同樣的方式去控制每路正向電流，以避免可能的色彩坐標(biāo)偏移。利用小型D/A變換器控制流以R_SET電阻的電流可以得到均勻的亮度。

　　6位分辨率的變換器，比如帶有I²C接口的MAX5362或者帶有SPI接口的MAX5365，能夠提供32級(jí)亮度調(diào)節(jié)，如圖8所示。由于正向電流會(huì)影響色彩坐標(biāo)，因此白光LED發(fā)出的白光會(huì)隨著光強(qiáng)的變化而改變。因?yàn)橄嗤恼螂娏鲿?huì)使得這個(gè)組里的每個(gè)白光LED都發(fā)出同樣的光。

　　使色彩坐標(biāo)不發(fā)生移動(dòng)的調(diào)光方案叫做脈寬調(diào)制。它能夠由絕大多數(shù)可以提供使能或者關(guān)斷控制功能的電源器件實(shí)現(xiàn)。例如，通過(guò)拉低EN電平禁止器件工作時(shí)， MAX1916可以將流經(jīng)白光LED的泄漏電流限定在1μA，使發(fā)射光為零。拉高EN電平可以控制白光LED的正向電流。如果給EN引腳加脈寬調(diào)制信號(hào)，那么亮度就與該信號(hào)的占空比成正比。

　　由于流經(jīng)每只白光LED的正向電流持續(xù)保持一致，因而色彩坐標(biāo)不會(huì)偏移，但是肉眼會(huì)感覺(jué)到占空比改變帶來(lái)的光強(qiáng)變化。人眼無(wú)法分辨超過(guò)25Hz的頻率，因此200~300Hz的開關(guān)頻率是PWM調(diào)光的很好選擇。PWM信號(hào)可以由微處理器的I/O引腳或其外部設(shè)備提供，控制等級(jí)取決于所用的計(jì)數(shù)寄存器的字節(jié)長(zhǎng)度。

　　MAX1916內(nèi)部配置有三路可調(diào)電流源，可驅(qū)動(dòng)多種LED，直接采用單節(jié)鋰離子電池供電可驅(qū)動(dòng)紅光、綠光或黃光GaAsP LED；配合電荷泵升壓變換器，MAX1916還可用于驅(qū)動(dòng)白光InGaN LED。對(duì)于有更高功率要求的應(yīng)用，需采用基于電感的MAX1848變換器，外部只需要極少的組件，輸出功率為800mW時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)88%。{{分頁(yè)}}

4、  具有電流控制功能的開關(guān)模式升壓變換器

　　開關(guān)模式電壓變換器MAX1848可以產(chǎn)生最高為13V的輸出電壓，足以驅(qū)動(dòng)三個(gè)串聯(lián)的白光LED，如圖9所示。這種方法也許是最簡(jiǎn)潔的，因?yàn)樗拥陌坠釲ED具有完全相同的電流。白光LED的電流由R_SENSE與施加在CTRL引腳上的電壓共同決定。MAX1848可以驅(qū)動(dòng)幾只串聯(lián)的白光LED，這些白光LED都具有相同的正向電流。通過(guò)白光LED的正向電流與施加在CTRL引腳的電壓成正比。由于當(dāng)施加在CTRL引腳上的電壓低于100mV時(shí)MAX1848會(huì)進(jìn)入關(guān)斷模式，這樣也可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光功能。

　　MAX1848將升壓變換器與電流控制電路集成在6引腳SOT-23封裝內(nèi)，利用電流檢測(cè)驅(qū)動(dòng)三組LED，每組白光LED包括三只串行連接的白光LED，如圖10所示。輸入電壓范圍為2.6~5.5V。MAX1848利用電壓反饋結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)流過(guò)LED的電流，較小的檢流電阻（5Ω）有利于降低功耗和保持較高的轉(zhuǎn)換效率。模擬控制器用于控制所有白光LED的亮度。典型應(yīng)用電路的參數(shù)為：L₁=33μH，C_COMP=150nF，C_OUT=1.0μF，R_SENSE=5Ω。白光LED的電流由控制電壓確定：

I_OUT=V_CTRL/13.33~V_CTRLR_SENSE          （6）

　　白光LED的亮度可以通過(guò)CTRL引腳的D/A變換器或電位器分壓電路調(diào)節(jié)。電壓控制范圍為+250mV~+5.5V，將控制引腳接地可實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。負(fù)載功率為800mW時(shí)電路轉(zhuǎn)換效率達(dá)88%。

5、  白光LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　在許多白光LED的背光應(yīng)用中，屏幕都需要背光調(diào)整功能，例如PDA等產(chǎn)品在使用中就能調(diào)整屏幕亮度，以適應(yīng)周圍環(huán)境。還有許多產(chǎn)品的處理器會(huì)在系統(tǒng)閑置一段時(shí)間后，自動(dòng)降低或切斷背光電源。調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)方式可分為兩種：模擬方式和PWM方式。采用模擬方式調(diào)光技術(shù)時(shí)，只需將白光LED的電流降至最大值的一半，就能讓屏幕亮度減少50%。這種方法的缺點(diǎn)是：白光LED色移需要模擬控制信號(hào)。PWM方式調(diào)光技術(shù)在減少的電流占空周期內(nèi)提供完整電流給白光 LED，例如要將亮度減半，只需要50%的占空周期內(nèi)提供完整的電流。PWM信號(hào)的頻率通常會(huì)超過(guò)100Hz，以確保這個(gè)脈沖電流不會(huì)被眼睛察覺(jué)到， PWM頻率的最大值需視電源的啟動(dòng)和反應(yīng)時(shí)間而定。為了得到最大的靈活性，同時(shí)讓實(shí)現(xiàn)更容易，白光LED驅(qū)動(dòng)器最高應(yīng)能接受50kHz的PWM頻率。調(diào)光信號(hào)通常來(lái)自系統(tǒng)處理器的GPIO引腳。{{分頁(yè)}}

　　在白光LED應(yīng)用中，若出現(xiàn)開路故障，恒定電流的白光LED驅(qū)動(dòng)器需要過(guò)電壓保護(hù)。白光LED和驅(qū)動(dòng)器通常在不同的電路板上，因此連接器的管腳松脫就會(huì)造成開路故障，另一個(gè)可能性則是白光LED造成開路。無(wú)論是哪一種情形，驅(qū)動(dòng)器為了提供恒定電流，都會(huì)增加它的輸出電壓。此時(shí)若無(wú)過(guò)電壓保護(hù)電路，輸出電壓很快就會(huì)升高，對(duì)驅(qū)動(dòng)器或輸出電容造成損害。保護(hù)驅(qū)動(dòng)器最簡(jiǎn)單的方法是選擇內(nèi)置過(guò)電壓比較器的白光LED驅(qū)動(dòng)器，并利用此功能來(lái)限制最大輸出電壓，例如 TPS61043就具備過(guò)電壓保護(hù)功能。齊納二極管也可用來(lái)限制最大輸出電壓，然而這種方法的效率很低，因?yàn)樵诠收锨闆r下會(huì)有預(yù)先設(shè)定的最大電流通過(guò)齊納二極管。

　　所有專為驅(qū)動(dòng)白光LED而設(shè)計(jì)的集成電路都提供恒定電流，其中絕大多數(shù)是基于電感或電荷泵的解決方案，這兩種解決方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)。電荷泵解決方案是利用分立電容將電源從輸入端傳送至輸出端，整個(gè)過(guò)程不需要使用任何電感，所以是應(yīng)用得較為廣泛的驅(qū)動(dòng)白光LED的解決方案。電荷泵電源的體積很小，設(shè)計(jì)也很簡(jiǎn)單，選擇元件時(shí)通常只需根據(jù)元件規(guī)格從中選擇適當(dāng)?shù)碾娙?。電荷泵解決方案的主要缺點(diǎn)是只能提供有限的輸出電壓范圍，絕大多數(shù)電荷泵的輸出電壓最多只能達(dá)到輸入電壓的兩倍，這表示輸出電壓不可能高于輸入電壓的兩倍。因此，若想利用電荷泵驅(qū)動(dòng)一只以上的白光LED，就必須采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式。而利用輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓的電荷泵驅(qū)動(dòng)多只白光LED時(shí)，必須使用限流電阻來(lái)防止電流分配不平均，但這些電阻會(huì)降低電池的使用效率。

　　電感式驅(qū)動(dòng)電路體積小、效率高，適合為絕大多數(shù)便攜式電子產(chǎn)品提供更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間。在應(yīng)用中可以調(diào)整電感式變換器的效率，以便在體積和效率之間取得最佳平衡。由于大多數(shù)電感式解決方案都是采用升壓變換器，如圖11所示的升壓式解決方案最多能驅(qū)動(dòng)六只或七只串聯(lián)的白光LED。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是，因?yàn)樵S多顯示器內(nèi)置的白光LED都采用串聯(lián)模式，即使未將白光LED內(nèi)置于顯示器屏幕中，但大多數(shù)還是將它們串聯(lián)在一起。背光驅(qū)動(dòng)器和白光LED通常會(huì)在不同的電路板上，因此必須將電源從一塊電路板連接至另一塊電路板。驅(qū)動(dòng)五只并聯(lián)的白光LED共需使用連接器的六個(gè)管腳，而驅(qū)動(dòng)串聯(lián)在一起的五只白光LED只需要兩個(gè)管腳。

6、  設(shè)計(jì)實(shí)例

　　多功能移動(dòng)電話屏幕的白光LED驅(qū)動(dòng)器的電源是由輸入電壓在2.7V和4.2V之間的鋰離子電池供應(yīng)的。移動(dòng)電話屏幕內(nèi)置四只串聯(lián)的白光LED，每只的最大正向電流為20mA，這種設(shè)計(jì)需要20mA最大輸出電流和16V電壓。該移動(dòng)電話規(guī)格要求具有屏幕亮度調(diào)整功能，移動(dòng)電話在閑置一般時(shí)間后能夠逐漸降低屏幕亮度。系統(tǒng)處理器負(fù)責(zé)提供PWM調(diào)光功能所需的數(shù)字信號(hào)。電池使用壽命是主要考慮的因素，因此效率應(yīng)盡量提高。移動(dòng)電話屏幕大約有98%的時(shí)間處于待機(jī)模式，因此要求白光LED驅(qū)動(dòng)器電源具有負(fù)載切斷功能，以便延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。移動(dòng)電話受到體積限制，需要小型的集成化解決方案，采用 TPS61043能滿足這些要求。它是電感式升壓變換器，內(nèi)置功率FET管，它也是專為白光LED而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器。TPS61043還提供負(fù)載切斷、過(guò)電壓保護(hù)和PWM調(diào)光功能，其1MHz的開關(guān)頻率能夠使用體積最小的外部元器件。

（1）       檢測(cè)電阻的選擇

　　采用TPS61043構(gòu)成白光LED驅(qū)動(dòng)器電源的外部電路的設(shè)計(jì)主要是如何正確選擇外部元器件，同時(shí)完成適當(dāng)?shù)碾娐凡季帧ｋ娏鳈z測(cè)電阻值是由 TPS61043的參考電壓0.252V除以所要求的白光LED的最大電流0.02A來(lái)決定的，即電流檢測(cè)電阻值為12.6Ω，電阻的功耗為5mW，因此可選擇0402型電阻器以節(jié)省電路板面積。

（2）       電感的選擇

　　選擇適當(dāng)?shù)碾姼胁粌H可確保設(shè)計(jì)符合效率要求，而且也能滿足有限的電路板面積要求。選擇電感時(shí)必須考慮的三項(xiàng)參數(shù)有：電感值、飽和電流和線圈阻抗（DCR）。如同所有的開關(guān)式變換器一樣，選擇電感就是在效率和電路板面積間作出折中考慮，較大的電感值可提供更小的阻抗、更高的效率和更大的飽和電流額定值，較小的電感則使用較小的電路板面積，飽和電流額定值也較小，但線圈阻抗卻比較大，因此整體效率較低。

　　在傳統(tǒng)的升壓式變換器中，輸出電感和電容會(huì)決定變換器的反饋回路是否穩(wěn)定，因此被選中的電感、電容和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的器件都必須經(jīng)過(guò)測(cè)試，確保電路能夠穩(wěn)定工作。TPS61043采用先進(jìn)的控制電路，無(wú)論采用多大的電感值，電路都能確保電源工作穩(wěn)定，因此不必考慮反饋補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。在這個(gè)控制電路中，開關(guān)頻率F_S由電感值、輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載電流所決定，其計(jì)算公式如下：

                 （7）

　　式中：I_OUT是白光LED的電流（最大值為0.02A）；V_OUT是輸出電壓（最大值為16V）；V_IN是輸入電壓（最小值為2.7V）；V_F是逆向電壓保護(hù)二極管的正向電壓，取0.4V；I_lim是峰值開關(guān)電流（為0.4A，由控制拓?fù)錄Q定）；L_OUT是電感值。

　　既然電感的體積是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，電源當(dāng)然應(yīng)使用很高的開關(guān)頻率，但由于電感式變換器的開關(guān)損耗會(huì)受到開關(guān)頻率的影響，因此頻率越高通常就代表效率越低，而較低的開關(guān)頻率可以提供較高效率。要如何選擇最適當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率，才能將變換器的開關(guān)損耗減至最少，這個(gè)問(wèn)題目前仍沒(méi)有任何最終方程式可供求解。典型的設(shè)計(jì)步驟是選擇一個(gè)接近最大可能頻率的頻率來(lái)設(shè)計(jì)變換器，然后重新調(diào)整開關(guān)頻率和測(cè)量工作效率，直到其參數(shù)達(dá)到滿意為止。將開關(guān)頻率任意設(shè)為700kHz，利用公式計(jì)算出電感值為4.8μH，實(shí)際電路采用4.7μH的標(biāo)準(zhǔn)電感。

　　無(wú)論電源或負(fù)載的狀況如何，TPS61043控制電路都會(huì)將電感的峰值電流設(shè)為400mA，因此將電感的飽和設(shè)為400mA。第三項(xiàng)參數(shù)是線圈阻抗，它會(huì)決定電感的體積，并且對(duì)設(shè)計(jì)的整體效率有重大影響。本電路選用的電感是飽和電流為650mA的4.7μH電感，線圈阻抗為150mΩ （LQH32CN4R7）。這個(gè)電感的體積則只有8.2cm