便携式应用的LED驱动解决方案

March 28, 2019

引言 

　　LED驱动已迅速成为功率转换技术日益重要的应用领域。除了要求更高效率、更低静态电流之外，LED驱动还有不少更精细的要求，如LED匹配、调光、白光平衡等等。另外还有一些基本架构问题，如LED是串联还是并联连接、是进行高端还是低端关段。某些特定的LED实现方案能够获得不同程度的效果，比如众所周知的感应式升压解决方案和电荷泵倍增器。而分数电荷泵、4开关降压-升压解决方案和多路电感解决方案则被人忽略。后者也被称为“SIMO”，即单电感多输出，未来，随着白光LED背光被更复杂的RGB同类产品所取代，预期这种技术将扮演越来越重要的角色。 

　　LED简介及工作原理 

　　便携式产品的发展趋势是逐渐向更多多媒体应用转变。这一趋势要求使用能够支持数百万颜色的、分辨率更高的显示屏。显示屏的传统照明方法是采用真空荧光灯管，但最近广泛采纳的是LED。LED的尺寸小得多，这对便携式产品非常有利，而且LED的功耗也更小，还远比真空荧光灯更为可靠。不过，如何保持恒定的光强度和颜色是这一照明技术面临的最大挑战。了解白光LED的工作原理有助于了解如何确保其强度和颜色一致。 

　　由于LED是半导体器件，相比其他光源，它具有独特的特性，其中最显著的是电流和光强度之间的非线性关系。图1显示一些典型LED的这种关系。 

　　第二个显著特性是有关LED的正向压降。不同于白炽灯泡，LED并非纯粹的电阻式负载。正向压降随LED颜色而改变。一般而言，红光LED的正向电压为2.2V，绿光LED的正向电压3.1V。白光LED和蓝光LED的正向电压相同，典型值都是3.3V。 

　　为便携式设备中这些LED提供恒定的电压和电流是一大挑战。供电电源必须能够自我调节以适应不断降低的电池电压，否则光强度会随电池电压而变化。因此，这些设备需要非常特殊的电源。 

　　驱动器选择 

　　保持LED电流和电压恒定的常用架构有3种。第一种是针对串联LED结构的感应式升压调节器。第二种仍是相同的感应式升压调节器，但用于并联LED结构。最后一种是电容式电荷泵。这些架构各有其优势，但对于给定的应用，仅有一种能够提供最大的优势。 

　　感应式升压调节器 

　　感应式升压架构 (比如飞兆半导体的FAN5608) 的基本工作原理是利用电感的电流存储能力。电感可以阻止电流变化，正负皆然。这种阻抗能力对器件上压降的影响可以下式表示： 

　　这一简单的公式表明了升压转换器的工作原理。晶体管导通，电流开始在电感中流过，然后晶体管关断。由于电流无法瞬间降为0，它继续流经二极管。电流逐渐减小，di/dt变为负，导致电感上的电压为负。 

　　利用克希霍夫 (Kirchokff) 电压定律，可计算出输出电压。 

　　这里D代表ON占空比。由于D的范围在0到1之间，故输出电压总是比输入电压高。输出电压与占空比成正比，因此，为了产生更高的电压，必须提高占空比。FAN5608利用这种方法可使最大输出高达18V。这样一来，可驱动多达4到5个串联LED。对并联结构，FAN5608能够产生高达40mA的电流。 

　　电容式电荷泵 

　　电荷泵利用电容来存储能量，可以把输入电压提升到1、1.5或 2倍。通过一个开关阵列和一个时钟，电容可以交替性地进行并联充电和串联放电，从而提高输出电压。图2可以很好地解释这一原理。 

　　该调节器的最大输出电压取决于电容的数量和分配给充电及放电的时间。飞兆半导体的FAN5607使用了两个电容，有1×、1.5×和2×三种模式。在2.4V 到 5.5V的输入电压范围上，该器件能够为4个白光LED的每一个提供高达30mA的电流。 

　　LED拓扑 

　　利用感应式升压转换器，LED能够被串联驱动或并联驱动。串联阵列可确保通过所有LED 的电流都相同，从而保证相同的光强度。这种方案的缺点是，驱动器的输出电压必需等于或超过所有LED的正向电压总和。在某些应用中，这就可能高达24V，于是需要采用击穿电压超过24V的硅工艺，这一般会增加器件的成本。其次，升压转换器的效率也随输出电压的增加而受到影响。表1所示为让4个白光LED产生相同的光量，三种不同拓扑所需功率之比较。如果对效率的要求比较高，串联拓扑并不是好的选择。 

　　尽管转换器不需要把电压提升到太高(如3.3V)就可驱动并联阵列，但并联拓扑需要对每一个LED进行电流调节。由于LED的光强度随电流而变化，所有LED中的电流需要匹配，以保持每一个LED的光强度稳定。这增加了系统的复杂性和成本。并联拓扑的优势在于效率高，从表1数据可看出，FAN5608在并联模式下的的效率比串联模式下略高。 

　　电荷泵主要用于驱动并联阵列，因为输出电压与充电电容的数量有关。电荷泵有一些优点，它们一般只需要较小的板空间，因为电容可以小至0402封装大小。这是一个很显著的优势，尤其是在终端产品为便携式设备时。对便携式无线电产品而言，还有一个好处是产生的EMI更少。即使使用屏蔽电感，感应式升压调节器产生的EMI噪声也超过了普通电荷泵的。这可是手机等便携式接收器的一个重要考虑事项。FAN5607产生的EMI噪声极少，这使它非常适合于驱动手机显示屏中的白光LED。不过，若对板空间和EMI的要求都不太严苛的话，电荷泵可能就不是适当的解决方案。因为，对这种方案来说，要减小尺寸，就得牺牲效率。电荷泵不是最高效的升压调节器，故在计算电池功耗时，必须考虑到这种影响。 

　　调光方法 

　　调光有利于改变照明光强度以实现功耗目标或美学价值。LED调光有两种常用方法。第一种是简单地调节电流，电流的微小变化引起LED强度的微小变化，这个过程非常易于控制。第二种方法是利用脉冲宽度调制时钟来改变LED的ON占空比，通过LED的平均电流随占空比的减小而降低。这种方法的主要考虑事项是时钟频率，必须足够高至感觉不到闪烁。一般需要达到1kHz或更高。线性调节和脉冲宽度调制都对白光LED的颜色有影响，但作用相反。 

　　绝大多数白光LED都只是带磷光质涂层的蓝光LED而已。磷光质中的电子被短波长光激发，发出白光。白光LED的颜光或色度将随光振幅、峰值波长或频谱形状的变化而变化。而上述因素又将随结温变化而变化。采用线性电流调节的调光方法会让白光LED偏黄色，因为磷光质在电流减小时更有效。采用脉冲宽度调制的调光方法则会使LED偏蓝色，因为磷光质作用变小。这种影响缘于峰值波长向更短的波长移动。 

　　FAN5607 和 FAN5608都考虑到了上述任一种调光方法的实现。这两款器件都带有可变模拟输入，可线性调节电流。两款器件都能够产生脉冲来导通或关断输出。 理想的调光方法是结合上述两种方法，把色差减至最小。 

　　结语 

　　LED是高效的便携式设备显示屏照明方法。由于它们采用半导体技术，故需要独特的调节手段。电荷泵和感应式升压调节器可提供最好的电源解决方案，不过它们各有其优势，应该针对特定应用具体考虑。效率、最小EMI辐射、更小尺寸的重要性都表明必需选用适当的驱动器。另一个重要因素是调光方法。脉冲宽度调制和线性调节的结合可提供稳定的调光方法，同时尽可能地减少色差。确保LED提供恒定光不是什么挑战，但解决方案应该针对相关应用量身定做，以最大限度地发挥其优势。

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