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降低白光LED背光驱动电路尺寸与成本
LED技术专栏(4)

【作者: Jay Kim】2009年08月06日 星期四

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由于拥有精简的尺寸以及高亮度输出,白光LED可以为移动电话以及其他便携式电子产品的小型彩色显示屏幕带来完美的背光解决方案,不过当白光LED被应用在常见使用单一单元锂离子(Lithium-ion;Li+)电池供电的设备时,却面临一项困难,原因是大部分锂离子电池的工作电压为3V到4.2V,而白光LED的顺向电压则大约为3.5V到3.8V(以20mA为例),这代表了锂离子电池工作范围中较低的电压输出,将无法提供足够形成白光LED适当偏压的电压。



要为白光LED提供适当的顺向偏压,过去通常会使用电容式充电泵与电感式升压电路,对效率以及电池使用时间而言,虽然使用电感式电路通常是最佳的选择,但却必须付出电感的额外成本,并且采用电感所构成的升压电路通常也需要细心的布局安排与设计,以避免引起EMI/RFI等电磁干扰问题,另一方面,充电泵解决方案则较为容易实现并且成本较低,但通常效率较差,因此会影响电池的使用时间。



随着更佳充电泵设计的推出,新的白光LED驱动芯片可以达到接近电感器相同的效率,平均约为85%,但同时却还能够维持与不使用电感器充电泵设计相同的简单与低成本特性。



要为白光LED提供适当的顺向偏压,过去通常会使用电容式充电泵与电感式升压电路,对效率以及电池使用时间而言,虽然使用电感式电路通常是最佳的选择,但却必须付出电感的额外成本,并且采用电感所构成的升压电路通常也需要细心的布局安排与设计,以避免引起EMI/RFI等电磁干扰问题,另一方面,充电泵解决方案则较为容易实现并且成本较低,但通常效率较差,因此会影响电池的使用时间。


第一代白光LED充电泵解决方案在核心中使用简单的倍压电路,或2倍电压模式,2倍充电泵电路的效率为:



(公式一)



  • PLED/PIN = VLED × ILED / (2 × VIN × ILED + Iq × VIN)





其中Iq为电路的静态工作电流,由于与白光LED负载电流比较,这个电流通常较小,因此效率的计算可以约略简化为:



(公式二)



  • PLED/PIN≒VLED / (2VIN)





为了改善效率,第二代白光LED充电泵整合了不会一定让输出成为输入完整倍数的充电泵电路,如果电池电压足够,那么也可以使用1.5倍的充电泵来产生适当的LED驱动电压,1.5倍充电泵的转换器效率为:



(公式三)



  • PLED/PIN = VLED x ILED / (1.5 × VIN × ILED + Iq × VIN)



  •  VLED / (1.5VIN)





可以看到,1.5倍充电泵大幅改善了效率,以3.6V的电池电压以及3.7V的LED为例,效率会从2倍充电泵的51%提升到1.5倍充电泵的69%。



在电池电压足够的条件下,最新的第三代白光LED驱动电路则透过提供让电池经过低压降电流调整电路直接连接到LED的单倍转换模式来进一步改善效率,因此它的效率就成为:



(公式四)



  • PLED/PIN = VLED × ILED/ (VIN × ILED + Iq × VIN)



  •  VLED/ (VIN)





当电池电压足够直接驱动白光LED时,这个模式的效率可以超过90%,以4V电池与3.7V的LED为例,效率可以达到92%。



在不同电池电压取得最佳效率


单倍转换模式拥有最佳的转换效率,但却只有在电池电压超过LED的顺向电压VF时才可以使用,优化的白光LED驱动电路设计采用了能够针对特定电池与LED电压采用最高效率功率转换模式,并且会随着电池与LED的电压变化进行模式的改变,不过开关耗损却可能会迫使电路在较高电池电压时,不当地变换到效率较低的模式,因此如果驱动电路在电池电压下滑时能够尽可能地维持在高效率运作模式,那么将可以得到较佳的结果,不过这却需要将耗损降到最低,也就需要功率开关较大的芯片面积与成本。



要能够在较低电池电压下使用单倍最佳转换模式,关键通常在于把单倍模式下旁路FET以及电流调整电路的压降尽可能降低,请参考图一,这些压降决定了串行耗损以及可以维持单倍模式的最低输入电压,其中最低输入电压可以透过以下方程序取得:



(公式五)



  • VIN (MIN_1×) = VLED + 旁路PFET导通电阻RDS(ON) × ILED +电流调整电路压降VDROPOUT





传统的正充电泵白光LED解决方案使用了PMOS FET旁路开关来将电池电压连接到LED,如图一,FET的导通电阻RDS(ON)大约为1到2Ω,无法进一步降低电阻的原因是,较低的电阻值会造成FET芯片面积的增加,进而提高功率组件的成本。



《图一 在单倍模式下,正充电泵使用内部旁路开关将输入电压VIN连接到白光LED的阳极。》


当输入电压VIN无法支撑单倍模式时,正充电泵会产生1.5倍或2倍的电压来驱动白光LED的阳极,为了要在正充电泵架构中实现单倍数模式,必须使用内部开关将输入电压VIN直接连接到LED的阳极以避过充电泵电路。另一方面,当输入电压不足时,负充电泵架构也会产生-0.5×VIN大小电压的来驱动白光LED的阴极,不过负充电泵架构却不需要我们将这个-0.5×VIN充电泵输出在单倍模式下旁路到地,原因是电流调整电路会控制LED的电流直接由输入电压连接到接地,因此,可以将单倍数模式延伸到:



(公式六)



  • VIN (MIN_1×) = VLED + 电流调整电路压降VDROPOUT





图二显示了负充电泵单倍模式下的电流路径,它并不包含P信道MOSFET旁路开关,并直接使用输入电压VIN来调整LED电流到接地,如果LED电流总共为100mA(5颗LED×20mA),那么2Ω的P信道MOSFET旁路开关压降就成为200mV,在放电时,锂离子电池电压的输出会稳定维持在3.6V到3.8V的标准电压范围,因此在典型锂离子电池放电曲线下,透过使用单倍模式搭配负充电泵架构所带来的工作电压200mV提升会带来效率上的明显改善,这同时也有助于延长电池的使用时间。



《图二 当驱动电路开切换到负充电泵模式时,可以进行单独白光LED的切换,有助于改善整体效率。》


在不同二极管顺向电压取得最佳效率


在传统的单倍或1.5倍正充电泵白光LED驱动电路上,LED的阳极连接到充电泵的输出,如果LED没有匹配,那么当VIN-VLED的电压差距不足以支持最差情况LED的顺向电压时,驱动电路就必须切换到1.5倍模式,这对于电路中只要出现一颗顺向电压不佳的LED时就必须放弃高效率单倍模式的情况就显得相当可惜。



透过使用负充电泵架构,可以透过多任务电路单独地为每颗LED选择单倍或-0.5倍模式,如果只有一颗LED的顺向电压规格较差,并不需要让所有的LED以-0.5倍充电泵输出驱动,举例来说,驱动器会在输入电压不足以驱动最高顺向电压LED时切换到-0.5倍充电泵,并只会对该LED进行-0.5倍负电压驱动,其他较低顺向电压的LED则依然使用单倍模式,并在顺向电压不匹配或温度变化时,让LED各自在不同时间与不同输入电压点切换到-0.5倍模式,请参考图三。




《图三 充电泵驱动电路透过切换到负充电泵模式、以及提供每颗白光LED单独切换的能力来大幅提高效率。》




《图五 DNLA 1.0/1.5版订立的装置角色及类别。》 - BigPic:938x420


《图三 充电泵驱动电路透过切换到负充电泵模式、以及提供每颗白光LED单独切换的能力来大幅提高效率。》



由图三可以看出,与传统的单倍或1.5倍正充电泵白光LED解决方案比较,具备独立切换能力的负充电泵白光LED驱动电路,可以大幅改善效率并延长电池的使用时间,达到接近采用电感升压电路相同的效率输出表现。



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