LED驱动电路电源方法

今日的许多可携式消费电子产品都有显示屏幕，例如行动电话、呼叫器、PDA和MP3播放机，虽然屏幕的种类和大小通常是根据应用决定，但设计工程师却必须负责为它设计电源和照明电路。包含TFT在内的绝大多数显示器都需要背光照明，这样使用者才能看到屏幕上的图形和文字，白光LED是可携式消费电子产品目前最常采用的照明装置。这篇文章将针对如何选择正确的白光LED驱动器，概要介绍适当的驱动器、它们的限制以及优缺点之间的取舍；文中将讨论选择白光LED驱动器时，所需评估的元件特性、提供元件的选择标准以及实际的设计范例和布局考量。
  首先对基本原理做简单的回顾。电流通过白光LED会使它发出可见光，由于发出的光线涵盖整个可见光谱，所以看起来是白色，其强度正比于通过白光LED的正向电流，也就是从阳极到阴极的电流总值。工程师必须找出推动这个LED电流的最佳方法，并在各种系统层级考量间取得完美平衡，例如效率、成本和稳流误差的容忍范围。
  恒压与恒流的比较
  驱动白光LED的主要目标是产生正向电流通过元件，这可由恒电压源或恒电流源来达成。图1是成本最低的解决方案，它将白光LED串联一颗限流电阻，再于电路的两端加上恒压源。然而这种方法有其缺点，限流电阻会限制通过的电流，白光LED的非线性VI曲线也让这种方法的稳流能力非常差；除此之外，只要外加电压或白光LED的正向电压有任何变动，白光LED的电流都会改变。当额定正向电压为3.6V时，会有20mA电流通过图1的白光LED，若温度或制程改变让此电压变为4.0V (仍在正常的3V至4V容忍范围内)，正向电流就会下降至14mA；换言之，正向电压只要改变11%，正向电流就会出现30%的大幅度变动。这种白光LED电流的极端改变会影响显示器亮度，其程度是许多应用所无法接受的。
  
  图1：采用限流电阻和恒压源
  比较理想的白光LED驱动方式是采用恒电流源，它能避免白光LED正向电压改变而造成的电流变动?使用可控制的固定正向电流，就能提供可控制的固定显示亮度。恒流源的产生非常简单，控制器不需将电源供应输出稳压，而是如图2所示，直接针对电流感测电阻的两端电压进行稳压，此时通过白光LED的电流是由电源供应的参考电压值和电流感测电阻值来决定。绝大多数显示器都需要多颗白光LED，若设计人员可以很有弹性的驱动多颗白光LED，他们应将所有白光LED串联，确保每颗白光LED的电流都相同。若要以并联方式推动白光LED，每颗白光LED都必须串联一颗限流电阻，避免通过它们的电流出现差异，但是这些电阻也会浪费电力，降低电路效率。
   
   图2：电感式恒流源
  电感式驱动器和电荷泵浦驱动器的比较
  所有专为驱动白光LED而设计的元件都提供固定电流，其中绝大多数是以电感或电荷泵浦为基础的解决方案，这两种解决方案各有其优缺点。电荷泵浦解决方案或称为交换式电容解决方案，它会利用离散电容将电源从输入端传送至输出端，整个过程不需使用任何电感，所以是相当受欢迎的解决方案。电荷泵浦电源供应的体积很小，设计也很简单，选择零件时通常只需根据元件规格表从中挑选正确的电容。电荷泵浦解决方案的主要缺点是它只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵浦元件的转换比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浦驱动一颗以上的白光LED，就必须采用并联驱动的方式。利用只能对输出电压进行稳压的电荷泵浦驱动多颗白光LED时，必须使用限流电阻来防止电流分配不平均，这个电阻会减少电池的使用时间。
  但是专为驱动白光LED而设计的新型电荷泵浦元件已开始将电流共享电路直接加入元件中，例如TPS60230电荷泵浦解决方案就能产生电压提供给多个并联的LED阳极，每颗白光LED的阴极则会直接连线到元件的不同接脚，元件内部电路会提供稳流功能，使得每颗白光LED的通过电流相差不到0.3%，而且不需要外接电阻。绝大多数以电荷泵浦为基础的解决方案都能让转换效率达到60%至85%的可接受水准，更先进的电荷泵浦元件还提供分数转换模式(fractional conversion mode)，它能在输入电压改变时自动切换到最有效率的转换模式。
  电感式解决方案的体积很小，效率很高，适合为绝大多数消费性产品提供更长的电池使用时间。本文将会证明，设计人员可以调整电感式转换器的效率，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转换器(图2)，它们最多能驱动六颗或七颗串联的白光LED，这种做法有其优点，因为许多显示器内建的白光LED都采用串联模式；就算并未将白光LED内建至显示器屏幕，大多数工程师还是会将它们串联在一起。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张电路板连接至另一张电路板；驱动五颗并联的白光LED共需使用连接器的六只接脚，驱动串联在一起的五颗白光LED只需要两只接脚。
  白光LED驱动器的特性
  许多应用的屏幕需要背光调整功能，例如PDA等产品的使用者就能调整屏幕亮度，以配合周围环境的照明情形，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，例如行动电话就是如此。调光功能的实作方法可分为两种：类比和脉冲宽度调变(PWM)。采用类比调光技术时，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%。这种方法的缺点包括LED光色会移动，而且需要类比控制讯号，但应用产品通常并未提供这类讯号。 PWM调光技术会提供完整电流给白光LED，但会减少电流负载周期(duty cycle)，进而达成调光的要求，例如要将亮度减半，只需50%的负载周期提供完整电流。 PWM讯号频率通常会超过100Hz，确保这个脉冲电流不会被眼睛察觉，PWM频率的最大值需视电源供应的启动和反应时间而定；为了得到最大弹性，同时让整合更简单，白光LED驱动器最高应能接受50kHz的PWM频率。调光讯号通常来自于系统处理器的GPIO接脚。
  为了因应可能出现的开路故障，固定电流的白光LED驱动器需要过电压保护功能。如同前面所述，白光LED和驱动器通常在不同的电路板，因此连接器的接脚脱落就会造成开路故障，另一个可能性则是白光LED故障成为开路；无论是那一种情形，驱动器为了提供固定电流，都会增加它的输出电压，此时若无保护电路，输出电压很快就会升高，对元件或输出电容造成损害。保护驱动器的最简单方法是选择内建过电压比较器的元件，并利用此功能来限制最大输出电压，例如TPS61043就具备这项功能。
  负载切断功能是白光LED驱动器电源供应常被忽略的特色之一，电子式负载切断功能可于电源供应关掉后，将白光LED与输入电源之间的连线切断，这项功能在下面两种情形非常重要：关机和PWM调光。如同图2所示，就算升压转换器的电源被切断，负载仍会经由电感和反向电压保护二极管(catch diode)连接到输入端。由于输入电源仍连接至白光二极管，就算电源供应停止工作，依然会有很小的电流继续通过。可携式产品可能有高达95%的时间处于待命状态，就算泄漏电流非常小，电池寿命也会大幅减少。负载切断功能对于PWM调光也很重要，因为在PWM截止导通期间，电源供应虽然不供应电流，但输出电容却仍连接至LED，若没有负载切断功能的协助，输出电容就会透过LED继续放电，直到调光脉冲让电源供应进入导通状态。由于输出电容在每个调光周期刚开始时都处于部份放电状态，电源供应也必须在周期开始时对这些输出电容进行充电，使得每个周期都会出现涌入电流尖波，这个涌入电流不但降低系统效率，还会在输入电源线路上造成电压暂态变动。有了负载切断功能，LED与电路的连线就会切断，当电源供应停止导通时就不会有泄漏电流，输出电容也能在PWM调光周期之间保持满电位状态。负载切断电路的最佳实作方式是在LED和电流感测电阻之间加入MOSFET三极管，因为将MOSFET三极管加在电流感测电阻和地线之间会造成额外的电压降，此电压还会成为输出电流设定点的误差电压。
  设计范例概述
  了解各种白光LED驱动法的优缺点后，现在就能开始应用这项知识。手机屏幕内建四颗串联的白光LED，每颗的最大正向电流为20mA，这种设计需要20mA最大输出电流和4×4V=16V电压。该手机规格要求屏幕亮度调整功能，让手机闲置一段时间后，能够逐渐降低屏幕亮度。系统处理器通常是由OMAP元件担任，负责提供PWM调光功能所需的数位讯号。电池寿命是主要考量，因此效率应尽量提高。行动电话屏幕大约有98%的时间处于待命模式，因此需要真正的负载切断功能，以便延长电池的使用时间。行动电话受到体积限制，需要小型的整合式解决方案，TPS61043则是满足这些要求的最佳选择，它师能完全整合的电感式升压转换器，内建功率FET三极管，也是专为白光LED而设计的驱动元件。 TPS61043采用3×3厘米QFN封装，还提供负载切断、过电压保护和PWM调光功能，1MHz开关频率让此元件能够使用体积最小的外部零件。
  元件资料表提供数种典型的应用电路，我们将它做为这项设计的起始点，图4就是这些线路图之一，它似乎能提供本设计所需的功能。工程挑战在于选择正确的外部零件，同时完成适当的电路图布局。电流感测电阻是最容易挑选的零件，正确的电阻值是由元件参考电压0.252V除以所要求的白光LED最大电流0.02A所决定，此处相当于12.6Ω，接着只需选择最接近这个值的标准电阻即可。注意电阻上的功耗只有0.02A2×12.6Ω，也就是5mW，因此选择0402外型的电阻器以节省电路板面积。
  选择电感
  选择适当的电感不仅对确保设计符合效率要求很重要，也能配合有限的电路板面积。电感的选择必需考虑三项参数：电感值、饱和电流和线圈阻抗(DCR)。如同所有的交换式转换器，选择电感就是在效率和电路板面积间做出取舍，较大的电感值提供更小的阻抗、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少的电路板面积，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。最后选择的电阻值必然是电路板面积和效率之间取舍。
  在传统的升压转换器中，输出电感和电容会决定转换器的回授回路是否稳定，因此被选中的电感、电容和补偿网路零件都必须经过测试，确保电路能够稳定工作。 TPS61043包含先进的控制电路，无论使用多大的电感值，它都能确保电源供应稳定，因此不必考虑回授补偿的问题。在这个控制拓朴中，开关频率是由电感值、输入电压、输出电压和负载电流所决定，其计算公式如下：
  
  公式1：TPS61043的开关频率
  其中： Io是白光LED的电流(最大值0.02A)Vo是输出电压(最大值16V) Vin是输入电压(最小值2.7V) Vf逆向电压保护二极管(catch diode)的正向电压降，此处假设为0.4V Ilim是峰值开关电流(总是0.4A，由控制拓朴决定) Lout是电感值
  既然体积是重要的设计参数，电源供应当然应使用很高的开关频率，但由于电感式转换器的开关损耗会受到开关频率影响，因此频率越高通常就代表效率越低。同样的，较低的开关频率可以提供较高效率；不幸的是，要如何选择最适当的开关频率，才能将转换器开关损耗减至最少，这个问题目前仍没有任何封闭型式(closed form)方程式可供求解。将开关频率任意设为700kHz，利用公式1可计算出电感值为4.8μH，由于4.7μH是业界标准的电感值，我们将电感的第一项参数，它的电感值，设为4.7μH。
  无论电源或负载的状况如何，TPS61043控制拓朴都会将电感的峰值电流设为400mA，因此我们将第二项电感参数，也就是饱和电流，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造成重大影响。 muRata LQH32CN4R7是饱和电流为650mA的4.7μH电感，故能符合我们的第一项电感参数要求，也超出我们的第二项参数要求。表1是这两种电感的比较。
  表1：电感的比较
  Isat (mA)电阻 (?)L (mm) W (mm)H (mm)Murata LQH32CN4R76501503.22.51.55Coilcraft LPO1704-4721.12006.65.51.0
  
  白光LED驱动器的效率测量和比较必须很小心。典型的电源供应效率量测值是由输出功率除以输入功率计算而得，但使用白光LED驱动器时，重要的输出参数是白光LED的光输出，但这个值的量测并不容易。白光LED提供的功率和电源供应的总输出功率并不相同，用于效率计算的电压应该是白光LED两端的电压，而不是电源供应的输出电压；计算工作效率时，电流感测电阻两端的电压不应包含在输出功率内，这个电阻的功耗是由白光LED驱动器的参考电压所决定，在其它因素都相同的情形下，白光LED驱动器的参考电压越低，它的效率就越高。比较两家制造商的产品效率时，先确认他们对于效率有着相同定义。
  选择输入电容
  输入电容帮助稳定电源供应器的输入电源阻抗，这在电池供电型系统中极为重要，因为在电源供应的开关频率下，所有电池都会有很高的阻抗。若没有输入电容，交换式电源供应器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涟波，进而冲击到系统的其余部份。这颗元件建议使用4.7 μF的陶瓷输入电容，但设计人员可以使用更大的电容值，没有任何限制。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，在不增加输入电容之前题下，减少输入纹波电压的方法之一是提高驱动器的开关频率，这可借由减少电感值来达成；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。
  选择输出电容
  交换式升压转换器的输出电容会直接影响输出纹波电压，但输出电压对于白光LED驱动电路并不重要，因此这个设计可以使用低至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出现很大的涟波电流，幸好涟波电流并不会对白光LED造成困扰，显示器亮度是由白光LED平均电流决定，任何频率在100Hz以上的涟波电流都不会被眼睛察觉。假设白光LED电流波形的波峰为30A，波谷为10mA (平均20mA)，那么它所产生的显示器亮度会和20mA直流电流完全相同。输出电容最好是使用陶瓷电容，而且它的电压额定值应该高于电源供应器的工作电压，我们的输出电压大约是16V，因此可以使用16V的电容，这是因为就算在故障情形下，输出电压也只会上升至19V，而陶瓷电容都是在两倍的额定电压下完成预烧(burned in)，所以16V的输出电容仍在可接受范围内。对于寿命极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。
  选择逆向电压保护二极管(Catch Diode)
  电源供应的逆向电压保护二极管(图2中的D1)很容易选择，它需要和电感相同的峰值电流额定值，逆向电压额定值必须大于LED两端的电压。正向电压很小的萧特基二极管可以提供最大效率。
  布局
  选择正确的元件，并为它挑选支援零件，这些都只是设计程序的一部份。电路必须正确布局，让它能正常工作，而且不会产生过多的系统杂讯。图6是最后得到的白光LED驱动器线路图以及重要的电压和电流波形，图7则是典型的电路板布局。在电源供应器中，最重要的布局约束条件就是从D1经过输出电容到地线，再进入元件的地线接脚，然后从元件的SW接脚离开，最后再回到D1，这整个路径所围出来的回路区域，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，这个实体回路应尽量缩小。波形B是切换点(switch node)的电压，它会以每秒60万次的速度在地电位和输出电压之间切换，因此这个电路节点应该越短越好，减少任何可能的电磁幅射。注意波形B的电流会被分成波形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，减少电磁幅射和电路板的电压摆动。注意输出电容的位置很靠近电源供应，而不是靠近负载，让输出电容靠近电源供应后，所有开关电流将局限在电源供应端。由于电流是从电源供应流向白光LED，波形E几乎就是直流，负载端也不需要电容或是滤波。
  结论
  这篇文章说明只要完成系统需求定义，正确的白光LED驱动器就更容易选择。若想采用电感式解决方案，零件的选择将由电源供应需求和系统需求来决定。设计人员只要了解每颗零件如何对系统产生影响，就能完成体积或效率最佳化的设计。如果无法在系统电路板上完成正确的电路布局，就算是最好的系统也无法顺利工作；另外，了解电源供应的波形对于产生可以工作的电路布局是非常重要的。