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电源管理
针对手持照明应用的电感升压LED驱动器
录入时间:2011-3-3 11:25:39

现今互联网不仅是最流行的照片和视频分享平台,还是重要的社交网络。因此,在蜂窝手持电话市场中,多媒体手持电话的市场占有率正超越以语音为主的手机。这使得手持电话的尺寸越来越大,而对手机彩色显示屏分辨率得要求也随之更高。这一切都导致系统需从电池提取更大的功率作为显示屏的背光照明。此外,移动手机对照明的要求和单纯的显示屏相比更高,原因在于手机已成为一种潮流产物,它可以反映出用户的生活品味。基于这个原因,手机的灯光效果便需别出心裁,用于显示和娱乐,但均需要消耗更多的电量。

 目前,发光二极管(LED)被广泛应用到电池供电应用中的小型液晶显示屏上,用以提供高质量的照明。从LED发出的白光经过偏光片到达LCD,在该处光线会被阻隔或衰减,然后传送到RGB色彩滤光片以产生有颜色的光线。

 图1表示一个背光LED驱动器的系统框图,其中包含有一个电感升压DC/DC转换器和一个或更多的稳压式电流井(current sink),每一个电流井均可驱动一条带有数个LED的灯串。此外,RGB的LED背光还需要一个以温度为基础的反馈控制,因此背光照明的成本比白光LED的更高。对于选择合适的背光LED驱动器,设计人员有三个问题必需考虑,分别是可用的电路板空间大小、系统要求的功能及所需功耗。

图 1. 背光LED驱动器

缩小电感器的尺寸

在为电池供电应用选择合适的LED驱动器时,首先需要考虑的问题是电路板空间,即电路驱动器与外部元件需要占用的面积(图2)。

图 2. 电感升压LED驱动器的PCB 布局实例

 一个典型的电感升压LED驱动器解决方案大约占据30mm2的电路板面积。电感驱动器一般需要两个电容器,一个在输入端,另一个在输出端,它们的电感值应介乎1mF~2.2mF,而尺寸则为0603及0805。除此之外,驱动器还需要一个可处理峰值电感器电流及输出电压的整流部份。在一个同步升压设计中,旁路PFET会被集成到电路内。可是,这种集成设计通常会导致电路封装的尺寸比异步解决方案的更大。同时,由于集成了高压PFET开关或二极管的关系,导致功率转换的效率下降约10%。相反,在一个异步拓扑中,用来旁路的部份只包含一个肖特基二极管。因此,LED驱动器中最累赘的元件便是电感器,而它也是整个解决方案中最难以完成的元件。以下我们将解释如何将电感升压LED驱动器中的电感器缩至最小。

 电感器是一个可将能量储存在核心磁场的元件,它能够将储存起来的能量以既定速率及时间释放。能量的存储量越大,核心的尺寸便越大,即电感器的尺寸与其能量处理的能力成正比。

 

图 3. LM3528电感升压LED驱动器

 图3所示为一个磁性升压稳压器的运作原理。当NFET开关处于关闭时(黑色箭头),电感器电流iL(t)便会从最低值IA( t = t0)向上爬升直至t = DTS时的最高值IPK,当中TS是转换器的开关周期。在这段时间,肖特基二极管被逆向偏置而负载则由存储在输出电容器的能量支持。在这个阶段的结尾,电感器的能量由以下公式表示:

 

该公式中IPK是峰值电感器电流,它与峰值开关及二极管的电流相对应。

t = DTS时,NFET开关被关闭而存储于电感器L内的能量会通过肖特基二极管释放到输出电容器及负载(虚线箭头)。之后,电感器电流会于t2 -DTS这段时间下降到原先的数值IA。然而,输出电压必须大于输入,假如这电压关系不成立的话,电感器的能量便不能释放到输出网络中。换句话说,当NFET开关被关闭时,由于电流放电并不能同时间发生,因此通过电感器的电压会被逆向,而逆向的磁性电压会流到输出电压使其大于输入电压。当驱动一条10个LED的灯串时,所要求的供电电压可以高至35V,而流经电感器的电流IPK则为:

当中 IL 是电感器电流的直流成份而IL 则是交流成份或电流纹波,其公式为:

当中D 是NFET开关的占空比而fS = 1/TS 则为开关频率。因此,储存在电感器内的能量可以看成是电感器电流纹波比率(r = IL/I)的一个函数:

 

图 4.电感器能量

 如图4所示,每一个开关周期TS期间存储在电感器磁场的能量会与电流纹波比率r成反比。由于电感器的尺寸与能量储存量有关,因此r=1是一个最好的选择,当r > 1时,电感器的能量要求比r < 1的下降得较慢。

 为了确保电感器没有饱和,我们需要根据最低的输入电压VINMIN或最高的占空比DMAX来选择电感器。

 在r = 1、fS = 600kHz、IL =300mA、DMAX = 0.90 及 VINMIN = 3.3V的条件下,电感值的要求为:

LM3528是一个电流模式升压转换器,其开关频率为1.3MHz。假如我们将上面公式的开关频率fS改为1.3MHz,而其他参数不变的话,电感器的数值便为:

 由于电感器电流的交流和直流成份没有改变,所要求的能量值E = ½ x L x IPK2。如此,电感器的尺寸便可缩小一半。一般而言,只需增大开关频率,便可降低应用对电感值的要求,从而将电感器的尺寸缩到最小。

 优化功耗

升压LED驱动器的功率损耗可分别来自NFET开关、二极管、电流井及电感器,这里只针对来自电感器与开关的损耗。一般来说,电感器的功率损耗主要由线圈的电阻所引起,而它同样是决定电感器尺寸的主要因素,其关系为:

公式中的DCR 为线圈的直流电阻。

大部份的情况下,DCR电阻均是电感器功率损耗的主要来源,因此可利用这数值作为选择合适电感器的指标。可是,对于高频应用来说,与频率相关的损耗必须计算在内,这包括由核心物料所造成的损耗(磁滞损耗和涡流损耗)以及因趋肤效应和接近效应所引致的线圈涡流损耗,所有这些交流损耗成份均可以归纳到串行电阻ACR:

 

 从NFET开关耗散的功率同时包含传导及开关损耗:

 

以上的电感器损耗及NFET开关传导损耗均取决于电感器的电流纹波比率,而所选用的比率应可把电感器的尺寸缩至最小。可是,NFET开关的损耗与输出电压及开关频率成比例。

 换句话说,在相同的输出功率下,较高的开关频率虽可带来较细小的电感器,但缺点是会增加开关损耗,而减少开关损耗的其中一个方法,便是降低输出电压。

 为了让读者更清楚明白,现让我们考虑一个具备以下规格的升压LED驱动器:

 

假如不考虑上升tRISE 和下降 tFALL时间,当LED驱动器为一条串有10个LED的灯串供电时,NFERT的开关损耗为:

 

而效率便相当于:

现把同一电路的10个LED分成两条灯串,那么功率耗散和效率便为:

从数式清晰可见效率获得提升,同时输出功率则维持不变。一般情况下,电感升压LED驱动器的开关损耗会随着输出电压而显著地增加。

 LED的控制

现实中,用户并不会无时无刻地使用手提设备的显示屏。例如,当用户正用手提电话讲话时,显示屏会在短时间内自动关闭,因此白光LED的编程对于控制显示屏的照明极其重要。

 照明的亮度可以通过改变LED电流(模拟控制)而直接控制,又或可间接地快速开关LED来营造视觉上的明暗效果(PWM控制)。现今,大部份的便携设备都倾向采用模拟亮度控制方式,原因是背光控制器一般与LED驱动器相隔一段距离,因此,在布线时会比较麻烦,因为带有PWM信号的迹线如果太接近噪声敏感的系统时,例如无线电收发器、扬声器或显示屏,便会很容易发生问题。

 再者,人眼对光的反应会比较着重比率而非增量,即是倍数而非累加,而另一个说法是可把人眼当作成一个对数式检测器。当眼睛以线性级分辨亮度时,光强度的变化便可以倍数级去计算。假如我要求您调节光线并以相等的级数作排列时,您可能会把亮度级编成10、20、40、80和160,又或是10、30、90、270、810,但绝不会是100、200、300、400或100、150、200、250。换句话说,每一个级都是前级乘以一个固定的常数。我们称之对数方式,原因是数值的对数以相等的级数来编排。以刚才假设的级数10、20、40、80和160作例子,并以10作为对数的基数,那得出来的结果便是1.0、1.3、1.6、1.9及2.2。如此,当您需要把真正的数值乘大一倍时,那便相当于在其对数值加上0.3(比较精准是0.301)。一般来说,肉眼并不能辨别出少于±15%的亮度分别。

 基于这个原因,LM3528包含一个I2C兼容接口,它能够以128个指数式的调光级和600:1的调光比率来控制LED的电流,以实现真正觉察得到的线性亮度级别控制,并确保调光方式能让显示屏的开关看上去更加流畅。通过加入调光或关闭背光的功能,设计人员便拥有更大的灵活性并可延长电池的工作时间。

 个人移动设备的照明需求一般比主显示器的更大,如此一来,针对其他照明功能的辅助LED难免需要消耗更多的电池电量。例如,按键照明是手持设备的一个重要特性,它不需要像主显示屏背光般要求高的LED电流精确度。至于LED提示灯则可告知用户一系列的信息,包括充电、电量过低和接收短信等,或LED甚至可单单用作娱乐灯光应用。配合额外的独立LED输出,LM3528能够通过I2C兼容接口实现可编程的闪灯图案。

 最后,色域广阔的应用需同时使用红、绿和蓝三种颜色的LED。其中红光LED是由InGaAlP制成,而蓝和绿光LED是由InGaN制成。当环境温度出现变化时,红光的主波长将比蓝和绿光产生更急剧的变化,因此需要加入某种形式的温度补偿反馈环路。图7中的LP5520设有一个内部校准存储器和一个外部温度传感器,它可把RGB LED的电流调节至完美的白平衡,该存储器存放着LED光强度与温度变化关系的数据。

 图 5: LP552 背光RGB LED 驱动器

总结

本文探讨了一个针对手持设备显示器、提示灯及娱乐应用的照明电路解决方案。该方案的优点是可在任何负载和输入电压条件下获取非常高的效率,其原因在于输入电压可以提升至LED正激电压与电流源净空电压的总和。这样便可显著地降低使用电感器的成本,并缩小电感器的尺寸。我们已讲解了如何通过增加开关频率来缩减电感器的尺寸,以及通过把LED排列成数条并行灯串来提升效率。

 对于6至10个LED和电流介乎15mA~20mA的应用,一般需使用一个10mF及饱和电流介乎0.4A~0.5A的电感器。这类电感器的尺寸将小于3mm X 3mm,而高度则介乎0.8mm~1.2mm之间。


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