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最近更新:2024年03月09日

白光LED的驱动电路

来源:zx123.cn 发布时间:04-19 12:15
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【导读】1、 提升电源调节器驱动白光LED的电路 白光LED的应用使闪光灯进入更新型的应用领域,它所显出的可靠性、耐久性以及白光LED的功耗控制能力使这些器件极具吸引力。在采用白炽灯时,对器件的电...

1、 提升电源调节器驱动白光LED的电路

 白光LED的应用使闪光灯进入更新型的应用领域,它所显出的可靠性、耐久性以及白光LED的功耗控制能力使这些器件极具吸引力。在采用白炽灯时,对器件的电源管理只是简单的开关切换。然而白光LED不能直接采用闪光灯中的电池进行工作,因为它要求的电压是介于2.8V和4V之间的,而相比之下电池电压只有1.8V~3V。电源管理的复杂性有所增加,因为白光LED的光输出与电流相关,而白光LED的特征与电压呈现出极端非线性的关系。解决此问题的方法之一是提高电源的电流限制能力。

 采用提升电源调节器驱动白光LED的电路如图1所示。提升电源调节器TPS6200×可以产生白光LED所需要的高电压。内部升压功率级可连接VIN与PGND端,从而为输出引脚L提供电流。此电路通过打开输出端开关进行工作,从而可以连接电感器L1上的电池电压。一旦电感器L1储存了足够的能量,输出端开关立即关闭。电感器电流可驱动开关节点切换到负极,并驱动输入端的能量转移到输出电容器C1中。由于输出端与输入端的开关是MOSFET管,因此压降低于二极管方案,从而可以实现高的效率。调节器TPS6200×通过检测电阻器能监控流经白光LED的电流,同时将检测电压与内部的0.45V参考电压进行对比,以实现调节功能。因此,电流与照度是检测电阻器电压的函数。虽然TPS6200×的内部参考电压比其他大多数变换器的电压要低,但也会造成功率损耗。在采用2.8~4V的白光LED电压时,其效率将降低10%~14%。应通过降低电阻器的阻值并采用放大器实现低电压,以降低这种损耗。

图1 提升电源调节器驱动白光LED的方案

 图2示出了在350mA电流调整点时的负载电流调节与升压电压的效率曲线。在正常的电池电压范围内,工作效率可达到80%以上,但是随着电池电压降低到寿命终点值,效率会降低。另外,图2还说明了有无检测电阻的影响。在输入电压较高时,效率接近95%,而在输入电压较低时,效率将降到80%。曲线的趋势源自两个相关的效应:一是在高输入电压下,输入电流和开关电流较低,因此传导和开关损耗较低;二是与自耦变压器极其类似,升压功率级不处理总输入功率。功率级处理的功率量与升压电压相关,或者与输入电压和白光LED电压之间的压差相关。在此设计中,白光LED的电压大约为8.7V,因此,在8.2V的高压线路上,功率级只处理功率的6%[(8.7-8.2)/8.7]。在电流高得多的低压线路上,功率级要处理8.2V时的4倍功率,即24%的功率。

图2 电路的效率曲线

2、 白光LED的控制电路

 白光LED为电流驱动器件,光输出强度由流过LED的电流决定。图3所示的是由电压源和限流电阻构成的一种简单偏置电路,流过白光LED的电流由下式确定:

IDIODE=(VCC-VF)/(RLIM+RDS(ON)) (1)

图3 LED偏置电路

这种方式的成本较低,但要求不同二极管的正向电压VF要一致。图4、图5表示25℃时白光LED的正向电压(典型值)与导通电流的关系曲线。从电流指标可以看出,对于GaAsP白光LED,VF可以上升到2.7V(+40%);对于InGaN白光LED,VF可以上升到4.2V(+20%)。如果系统中需要多只白光LED,如移动电话背板显示器采用8只白光LED,则按照图6的设计方案将需要多个限流电阻,占用较大的线路板面积。

图4 典型GaAsP正向电压与导通电流的对应关系 图5 典型InGaN正向电压与导通电流的对应关系

图 6 利用MAX1910/MAX1912电荷泵实现电流调节的电路

 如果将VCC增大到VF的10倍以上,可以减少VF变化的影响,但耗电较多,不符合电池供电产品的需求。对于采用单节锂离子电池供电的系统,锂离子电池电压的变化范围为3~4.2V。如果白光LED的偏置电路只是简单地由锂离子电池和限流电阻组成,输出亮度将会产生明显的变化。合理的方案应该是采用电流偏置电路。

(1) 电流偏置电路

 电流偏置电路实际上是用一个电流源为白光LED提供偏置。如果电流源具有足够的动态范围,这种偏置方式将不受VF变化的影响。图7为电流偏置方案的原理图。该电路将图3中的限流电阻用电流源替代。光输出强度与电源和正向电压无关,只要有足够的电源电压为LED提供偏置即可。在图7中,Q1为使能控制开关。

图7 电流偏置方案的原理图

 MAX1916为专用白光LED驱动集成电路,它提供了一种先进的白光LED电流偏置电路。MAX1916在微型SOT-23封装内集成了三组电流源,流过RSET的电流镜像到三个输出端,如图8所示。电路中几个相同的MOSFET管具有相同的栅源电源,因此,它们的沟道电流相同,电流的大小由镜像电流ISET决定。MAX1916的最大电流失配度为±5%,“镜像系数”为200A/A。也就是说,当ISET为50μA时,每个输出端的电流为10×(1±0.05)mA(最大值)。SET端由内部偏置在1.25V。ISET由下式决定:

ISET=(VCC-1.25V)/RSET (1)

IOUT=200ISET (2)

图8 MAX1916为LED提供的镜像电流

 每路电流之间的偏差为±5%。输出端饱和电压为:

VOUT(SAT)=RDS×IOUT (3)

 MAX1916的漏源电阻在整个温度范围内保证不高于50Ω。一个工作电流为2mA的GaAsP白光LED保证正常工作所需要的最低电压是VF+100mV,2.71V的输入电压能够将GaAsP白光LED的工作电压维持在2.7V。为了获得更低的压差和更高的输出电流,可以将MAX1916的三路输出并联构成“镜像系数”为600A/A的电流源,如图9所示。并联后的漏源电阻为50/3=16.67(Ω)(最大值)。这种连接方式允许单只白光LED在3V供电时电流达到20mA以上,满足目前便携式移动电话等产品的背光要求。用于设置端电流的电压源可以由带载能力较强的主电源单独提供,例如在移动电话中,VSET可以由射频(RF)电路的低噪声+2.8V电源提供。如果直接由单节锂离子电池供电,MAX1916适用于驱动正向电压较低的GaAsP白光LED,而对于正向电压较高的InGaN白光LED,则需采用其他驱动方案。因为由锂离子电池供电时,随着电池的放电,输入电压可能无法满足白光LED所要求的偏置电压。

图9 MAX1916的三路输出并联构成电流源

(2) 用电荷泵升压变换器驱动白光LED的方案

 正向电压为8.5~4.2V(在20mA电流下)的白光LED通常需要升压变换器,可以用电荷泵(如MAX682~MAX684)与MAX1916共同构成这种白光LED的驱动电路,如图10所示。MAX682~MAX684能够将2.7V的输入电压转换为5.05V输出,输出电流能够分别达到250mA、100mA和50mA。利用MAX684的关断控制引脚或MAX1916的使能控制引脚可以关闭白光LED。在图10所示电路中,MAX684在关断模式下,电源电流降至22μA;RSET=43kΩ时,白光LED的电流为22mA。

图10 采用电荷泵升压电路控制三只LED

 图11所示的是利用电荷泵构成的白光LED电流控制电路,反馈调节电压的典型值为1.235V, Ipk=1.235/RSENSE,选用24Ω的检流电阻能够为白光LED提供50mA电流。当电荷泵工作时,输出电压上升至白光LED的开启电压,白光LED开始导通。白光LED的典型正向电压为8.5×(1±0.1)V,加上反馈调节电压,MAX1759的输出端提供的偏置电压为4.735V。该电路输出电压的纹波在40mV以内,不会导致白光LED的输出产生明显变化,通常人眼觉察不到。另外,图11所示电路在关断状态下时输入与输出之间没直流通路。

图11 用电荷泵构成的白光LED电流控制电路

(3) 基于电感变换器的白光LED驱动解决方案

 MAX1848将升压变换器与电流控制电路集成在6引脚SOT-23封装内,利用电流检测驱动三组白光LED,每组包括三只串联连接的白光LED,如图12所示。输入电压范围为2.6~5.5V,MAX1848利用电压反馈结构调节流过白光LED的电流,较小的检流电阻(5Ω)有利于降低功耗,保持较高的转换效率。模拟控制器用于控制所有白光LED的亮度。在典型应用电路,L1=33μH,CCOMP=150nF,COUT=1.0μF,RSENSE=5Ω。白光LED的电流由控制电压确定,IOUT=VCTRL/(18.33×RSENSE)。

图12 用基于电感的电流调节器驱动多只LED

 白光LED的亮度可以通过MAX1848的CTRL引脚的D/A变换器调节或电位器分压电路调节,电压控制范围为+250mV~+5.5V,将控制引脚接地可实现关断。负载功率为800mW时,电路转换效率达88%。

 MAX1916内部配置三路可调电流源结构,可控制多种LED;直接采用单节锂离子电池供电,可驱动红光、绿光或黄光GaAsP LED;配合电荷泵升压变换器,MAX1916还可用于驱动白光InGaN LED。对于有更高功率要求的应用,需采用基于电感的MAX1848,外部只需要极少的元件,输出功率为800mW时转换效率达88%。

(4) 由MAX1984构成的白光LED驱动电路

 MAX1984的主要特点为:采用转换效率高于95%的升压式同步整流DC/DC变换器,并且无需外部肖特基二极管,工作频率为1MHz,可减小电感及电容的尺寸;驱动器总的效率高达90%;可驱动8只白光LED,其电流不匹配最大值为8%;可设定白光LED的最大电流;有三种方式可调节白光LED的亮度;可选择某些白光LED亮、某些不亮;可关闭白光LED控制,在关闭状态下静态电流为0.1A(典型值);有独特的0.5mAV LED测试模式;内部有过压保护;工作电压范围为2.7~5.5V;有低压锁存功能(2.4V);采用20管脚小尺寸4mm×4mm QFN封装;工作温度为-40~+85℃。

 MAX1984的典型应用电路如图13所示,这是一个驱动8只白光LED的电路。有关能数的计算及组件的选择如下:

图13 MAX1984的典型应用电路

① 亮度调节。白光LED的发光亮度能通过SETI端的电流进行选择(15%~100%)。有三种调节模式:DPWM模式、模拟电压模式及2位或3位并行控制模式。

·最大白光LED电流ILEDC(FS)的设定。最大白光LED电流ILEDC(FS)由SETI端来设定,SETI端接IN端时,ILED(FS)=18mA;SETI端接GND端,白光LED电流为0.5mA。SETI端接电阻RSETI时,ILED(FS)与RSETI阻值的关系为

ILED(FS)=12+0.75KVref/RSETI (4)

式中:K=3851,Vref=1.25V。

·DPWM模式调节。将MODE端及BITC端接IN端,BITB端悬空,DPWM信号由BITB端输入。这时白光LED的电流ILED由下式决定:

ILED=D×ILED(FS) (5)

式中:ILED(FS)是由SETI端设定的电流值;D是DPWM信号的占空比。

 平均电压的获得是通过内部的一个RC滤波器实现的,其时间常数为0.1ms,它适用于DPWM频率为10kHz~2MHz的情况。若采用更低的频率,则需要在BITB端外接一个电容CEXT到地,以增大其时间常数。DPWM的占空比为20%~100%。在DPWM模式下,当D小于5%且BITC端接低电平时,它进入关闭模式。

·模拟电压模式调节。将MODE端、BITA端及BITC端连接到IN端,直流控制电压从BITB端输入,该电压为140mV~0.75Vref(Vref=1.25V)。

·3位或2位并行控制模式。在3位并行控制时,MODE端接GND端;在2位并行控制时,MODE端接IN端,BITC端接地。

② 关闭状态控制。在不同的亮度控制模式下,关闭控制方式也不同;在DPWM控制时,若BITA端输入的脉冲信号占空比小于5%(典型值),器件被关闭;在模拟电压控制时,若BITA端及BITB端都是低电平,器件被关闭;在并行控制时,若BITA、BITB、BITC端都是低电平,器件被关闭。

③ 有关组件参数的选择。

·电感器。由于振荡器的工作频率达1MHz,所以有可能采用低剖面高度的贴片式电感器,其电感量为10μH。所采用的电感器的饱和电流应大于内部开关的限制电流(0.65A),碳性材料要满足1MHz的频率要求,采用有屏蔽的电感器可减少EMI的影响。

·输出电容器。输出电容器用于稳定电路及减小输出纹波电压。该电容容量为4.7μF(或采用两个2.2μF电容并联),可采用贴片式陶瓷电容器,因为它不仅温度稳定性好,而且等效串联电阻(ESR)小,有较小的纹波电压及更高的效率。额定电压取10V。

·输入电容器。输入电容器可减小对电源的峰值电流及减少噪声输入。一般此电容的容量与输出电容的容量相等,或者小于输出电容。此电容器应尽量接近IN端(小于5mm)。

若输入电容器不采用贴片式多层陶瓷电容器,则需要另加一个0.1μF陶瓷电容以滤掉高频噪声。

3、 利用LDO改善白光LED的匹配度

 白光LED在各种照明设备中的应用正在稳步增长,如手持产品中的闪光灯、显示器背光光源等。与白炽灯相比,它们提供真正的白光,消耗更低的功耗;与荧光灯相比,它们更易于使用。批量使用时,白光LED的一致性较差,但利用低成本的线性稳压器(LDO)可以改善其匹配度,即使在采用不同白光LED的情况下也可取得一定效果。

 选用白光LED最明显的问题是产品的匹配性差。按照白光LED的典型规格,电流20mA时正向电压的最小值为3.0V,典型值为3.5V,最大值为4.0V。显然,稳压源不是合理的解决方案。利用相同的电流驱动每只LED可以获得均匀亮度,但成本很高。在许多应用中只是简单地用一个固定偏置电压和限流电阻驱动白光LED,如图14所示。

图14 用固定偏置电压和限流电阻驱动LED的电路

 按照图14设计的电路通常可以得到相当好的亮度匹配,但对于大批量生产的用户,同一批次的产品具有相当一致的特征指标,但批次之间的一致性较差。这就需要对每一批的白光LED进行测试,为其配置限流电阻。如果存在多个白光LED供货商,问题将更加严重。选用了三个厂商的LED(分别用A、B、C表示)按照图14所示电路进行测试,测试参数见表1。标号为A的白光LED选自一级白光LED供货商,标号为B的白光LED选自二级白光LED供货商,标号为C的白光LED是从电子配套市场购买的廉价白光LED。从测试结果看,不同商标的白光LED一致性较差,比标准平均电流偏差3.27mA。

 

表1 不同厂商白光LED的测试结果(mA)

 从表1中的平均值可以看出,不同厂商提供的白光LED的一致性较差,其中A厂商提供的白光LED的吸取电流最大(平均24.6mA),B厂商提供的白光LED的吸取电流最小(平均为18.3mA)。不同厂商的白光LED的电流在采用相同的偏置电压、相同的限流电阻时差别较大,均方根误差为3.27mA。

 单独调节每只白光LED的电流或至少对其中一只白光LED的电流进行调节,可以提高不同厂商或同一厂商不同批次白光LED的一致性,但这需要相当昂贵的控制芯片。在对成本要求苛刻的产品中,可以利用低压差线性稳压器(LDO)改善白光LED的一致性,无需选择阻值不同的限流电阻,具体电路如图15所示。在图15中,LDO工作在稳压稳流模式下,根据一只白光LED的正向电压的变化自动调节偏置电压。

图15 MAX8863的典型应用电路

 图15所示电路中增加了一个低成本的LDO,得到可自动调节的偏置电压,有效地改善了不同批次、不同厂商生产的白光LED的匹配度。为考核图15所示电路的性能,将上述A、B、C三种白光LED按照图15所示电路进行了测试,测试结果如表2。从表2可以计算出,相同厂商白光LED电流的一致性略有下降,所得结果为0.77mA(图14所得结果为0.54mA),但不同厂商的白光LED电流的一致性得到了较大改善,均方根误差由3.27mA降低至0.96mA。

表2 利用图15所示电路测试三种不同厂商的白光LED的结果(mA)

 图15所示电路需选择带有外部电压调节引脚的LDO,如MAX8863,其反馈门限电压为1.25V(VSET)。选用SOT-23封装的LDO可提高系统的性价比,因为多数SOT-23封装的LDO带有关断控制功能,从而省去了图14所示电路中控制白光LED通断或进行PWM亮度调节的N沟道MOSFET管。另外,LDO还具有较宽的输入电压范围,当与其他电路共用同一个5V电源时可以提供较高的电源抑制比(PSRR)。

 图16所示电路是对图15所示电路的改进,适合便携式产品的背光光源要求。MAX8863可以驱动8只白光LED,每只白光LED的电流为15mA。当白光LED的正向电压较低或限流电阻的电流低于15mA时,所允许的输入电压更低,对不同厂商、不同批次的白光LED可提供较好的亮度匹配。

图16 图15所示电路的改进电路

4、 利用工作在降压模式的升压变换器驱动白光LED

 用于装饰和建筑照明的低压卤素照明灯具正不断得到普及,但是由于卤素灯泡寿命相对较短、可靠性相对较低,大功率白光LED正在成为更好的选择。图17所示电路提供了一种驱动大功率白光LED的解决方案,即利用工作在“降压”模式的标准升压变换器驱动白光LED。这种解决方案的效率高达96%,与效率只有85%的标准方案相比,它具有很多实际优点。

图17 ZXSC310的典型应用电路

 当MOSFET管(Q1)导通时,电流从输入端流过白光LED、并联滤波电容器(C2)、电感(L1)、Q1及检测电阻(R1),电流值由检测电阻值和ZXSC310检测电压的阈值(通常为19mV)所决定。

 一旦电流达到所设定的相应峰值电流,MOSFET管就关断并保持1.7ms。在这段时间内,储存在电感内的电能通过肖特基二极管转移到白光LED中,从而保持白光LED的亮度。

 对输入电压和串联白光LED的数量没有限制。为得到更高的输入电压,必须适当地调整C1、R2、VD1、C2和Q1的值以适应电压范围。对于更大数目的白光LED,最小输入电压必须大于串联白光LED的正向电压降。

 通过采用降压模式的升压变换器方案,可以用一个低端N沟道MOSFET管替代典型降压变换器中常见的高端P沟道MOSFET管。N沟道MOSFET器件的固有导通损耗是尺寸相同的P沟道MOSFET器件的导通损耗的1/3。当然,在典型的降压变换器电路中也可以使用N沟道MOSFET管,但需要额外的自举电路对它进行驱动。低端开关也可以使峰值检测电流以地为参考,这与高峰电流检测相比,可提高精度并减小噪声。

 通过在间断工作模式下采用升压方法,控制回路可工作在电流模式,为变换器提供周期性控制。这使该变换器从根本上保持稳定,与电压模式的降压变换器相比,设计得以简化。

 上述方案的另外一个特点是,因为当电感处于充电状态时电流流过白光LED,所以白光LED电流的峰值将减小,这样在相同的白光LED亮度下可将峰值电流设置得更小,从而进一步改善效率、可靠性以及输入噪声性能。
 

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