線性匹配獨立電流源與傳統(tǒng)白光LED驅(qū)動器解決方案之間的對比
摘要
WLED解決方案集成了白光LED工藝的優(yōu)點以及創(chuàng)新型節(jié)能方案(例如:環(huán)境光控照明),從而可以在更廣范圍內(nèi)應(yīng)用,并獲得了比過去任何時候都更高的效率?,F(xiàn)有的絕大多數(shù)WLED驅(qū)動器解決方案仍然要和電壓升壓驅(qū)動器解決方案搭配使用;但是,隨著WLED 應(yīng)用及技術(shù)的多樣化,WLED 驅(qū)動器解決方案的選擇空間也越來越廣。線性匹配電流源就是這樣的一個新型解決方案。德州儀器 (TI) 推出的低壓降 (LDO) 線性 WLED 驅(qū)動器 TPS7510x 就可以用于驅(qū)動 WLED。本應(yīng)用手冊將對這一新型技術(shù)與現(xiàn)有的升壓解決方案進(jìn)行比較。
1 背景
早期的手機(jī)均具有較便宜的彩色發(fā)光二極管 (LED),用于鍵盤照明和黑白液晶顯示(LCD) 背光照明。在世紀(jì)之交,LED 技術(shù)的進(jìn)步實現(xiàn)了手機(jī)鍵盤的藍(lán)白光 LED 照明。白光 LED (WLED) 只不過就是帶有特殊涂層的藍(lán)光 LED,從而產(chǎn)生白色光波長。由于 WLED 可以在 LCD 顯示器上發(fā)射全色光譜,所以 WLED 現(xiàn)在為手機(jī)中主要的照明顏色。除了全色 LCD 背光照明以外,WLED 還可用于鍵盤、軌跡球及控制按鈕照明、相機(jī)快閃和閃光燈。
第一代 WLED 需要更高的正向電壓 (>4.2V) 和電流 (>20mA) 來實現(xiàn)手機(jī)應(yīng)用所需的發(fā)光度或亮度。這些電壓一般都高于電池電源,并且需要有驅(qū)動器IC對LED電源電壓進(jìn)行升壓。由于 WLED 所需的電流很高,所以它們通常消耗了移動手持終端中大部分的電池電量。為了降低功耗并延長電池使用壽命,WLED 工藝技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)成本的降低帶來了更為便宜的 WLED,這種 WLED 只需更少的電流就可產(chǎn)生所需的發(fā)光度。在電流更低(<10mA)的情況下,可以以更低的正向電壓來實現(xiàn)這些 WLED。
2 TPS7510x:一款線性匹配獨立電流源
與傳統(tǒng)的固定模式和混合模式充電泵和電感升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,TPS7510x 的 LDO 線性調(diào)節(jié)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖 1 所示)具有更多優(yōu)點。對于大多數(shù)應(yīng)用而言,TPS7510x 是一款上述解決方案的高效替代解決方案。由于減少或省去了許多外部部件,與其它任何替代解決方案相比,TPS7510x 實現(xiàn)了更多的成本節(jié)約。這不但減少了材料清單成本,而且還降低了放置更多組件所需的額外生產(chǎn)成本。
圖 1 線性匹配電流源 (TPS7510x)
組件數(shù)量減少的另一個優(yōu)點是實現(xiàn)解決方案尺寸的縮小。由于 TPS7510x 并不需要外部組件,因此整套解決方案的尺寸剛好降至 IC 尺寸的大小,對于采用 WCSP 封裝的 IC 尺寸而言為 1.44mm2。TPS7510x 的第三個優(yōu)點是近乎所有的輸入電流(99%)將用于驅(qū)動 LED;電流不會在充電泵電容器或升壓電感器上發(fā)生損耗。這一節(jié)能架構(gòu)使電池放電壽命的平均效率提高了 87% 以上。對于一個額定電壓為 3.6V 的電池而言,該解決方案的效率一般都高于 99%。
LDO 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的一個缺點就是 LED 的正向電壓局限于輸入電壓與壓降之差(一般為 30mV,最大值為 100mV)。由于現(xiàn)在有許多白光 LED 可供選擇,手機(jī)解決方案中使用的 LED 電流電平 (3mA–10mA) 產(chǎn)生的正向電壓一般為 3V 或更低,因此這一局限性不再是這一解決方案的一個主要缺點。另外一個被充分證明的缺點就是線性解決方案的局限性,線性解決方案只能應(yīng)用于并聯(lián) LED 結(jié)構(gòu)。串聯(lián)結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)單節(jié)鋰離子電池應(yīng)用對正向電壓提出太高的要求。因此,TPS7510x 解決方案只能用于并聯(lián) LED 結(jié)構(gòu)。
3 固定升壓充電泵
對于使用一個固定升壓充電泵(見圖 2)的應(yīng)用而言,其輸出將被升壓至一個固定電壓,同時 LED 電流經(jīng)過調(diào)節(jié)流過每一個電阻器。由于充電泵器件較低的成本,這種方法的成本相對較低,但是 LED 電流匹配和效率可能會很低(電池放電的平均效率為 43%)。充電泵一個比較重要的優(yōu)點在于其降低了 LED 正向電壓對電源電壓(數(shù)伏電源軌以內(nèi))的依賴程度。盡管充電泵能產(chǎn)生足夠高的電壓來驅(qū)動串聯(lián)的多個 LED,但是其效率非常低且成本高昂,因此這一解決方案一般只限用于并聯(lián) LED 結(jié)構(gòu)。
圖 2 固定升壓充電泵 (REG710)
在此類型的應(yīng)用中,TPS7510x 不但實現(xiàn)了效率提升,而且還通過減少整體部件的數(shù)量實現(xiàn)了成本節(jié)約,但是卻局限于低于電源電壓的正向電壓。
4 混合模式充電泵
對于使用一個混合模式充電泵(如圖 3 所示)的應(yīng)用而言,其輸出電壓經(jīng)過調(diào)節(jié),使每一個 LED 上流過一個恒定電流。由于這一類型解決方案所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這些 IC 的 LED 電流源能實現(xiàn)很好的匹配。但是由于正向電壓的不匹配,實際的匹配程度會有所降低。這些電路的效率非常高(電池放電時平均效率為 70%),并且允許正向電壓高于輸入電壓。
圖 3 混合模式充電泵 (TPS60231)
在這些應(yīng)用中,TPS7510x 在成本和效率方面有了極大的改善。充電泵電路一般都需要配置一個或兩個開關(guān)電容器,以及用于保持穩(wěn)定性的輸入和輸出電容器。正如前面所述,TPS7510x 減少了組件數(shù)量,從而減小了解決方案的尺寸,同時降低了成本。相對于混合模式充電泵解決方案,線性解決方案的劣勢在于 LED 正向電壓(凈空電壓)的局限性。然而,混合模式充電泵解決方案可以和相同 LED 電壓很好地匹配;無論 LED 正向電壓如何變化,TPS7510x 都可實現(xiàn)完美匹配。
5 電感升壓
對于使用(大部分情況下用于驅(qū)動一個串聯(lián) LED 串)一個電感升壓轉(zhuǎn)換器(如圖 4 所示)的應(yīng)用而言,流經(jīng) LED 串上每一個 LED 的電流為同等大?。ɡ硐腚娏髌ヅ洌T谑褂贸潆姳媒鉀Q方案的情況下,可以使用正向電壓高于電源電壓的 LED。在僅有一個 LED 驅(qū)動線路可選用的應(yīng)用中(如翻蓋手機(jī)的背光照明 LCD 模塊),電感升壓轉(zhuǎn)換器一般(有時為唯一可選)為最佳解決方案。
圖 4 電感升壓 (TPS61061)
在由電感開關(guān)引起電磁干擾 (EMI) 的其他應(yīng)用中會出問題,線性 TPS7510x 就是一款高效且噪聲極低的解決方案。另外,通過除去電感、輸出電容器或反饋電阻器實現(xiàn)的成本節(jié)省更具現(xiàn)實意義。
隨著白光 LED 在移動手持終端更廣范圍內(nèi)的應(yīng)用,驅(qū)動這些 LED 不會再僅僅局限于一款高電壓、高電流解決方案。如今,這些解決方案不僅隨著這些器件應(yīng)用的增長而增長,而且還隨著這些應(yīng)用而不斷演變。最近問世的更高亮度和更高效率的 LED 可以通過更低的電流來驅(qū)動,這也開創(chuàng)了使用線性電流源的新型解決方案。該解決方案實現(xiàn)了最低的成本、最少的組件數(shù)量以及最小的外形尺寸,是移動手持終端應(yīng)用的理想選擇。
6 相關(guān)文檔
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SLYT260 | 《模擬應(yīng)用期刊》文章:LDO 白光 LED 驅(qū)動器 TPS7510x 實現(xiàn)了極小的解決方案尺寸 |
SBVS080 | TPS7510x 產(chǎn)品說明書 |
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