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LED驱动探讨

2014-6-20 10:17:41 点击:

如今,众多的 便携电子产品均需要背景灯LED驱动器的特 性以及实现这些特性的方法,最后将 说明具备每种特性的典型电路。  

直流控制


LED是由电流驱动的器件,其亮度 与正向电流呈比例关系。有两种 方法可以控制正向电流。第一种方法是采用LED
V-I曲线来 确定产生预期正向电流所需要向LED施加的电压。其实现 方法一般采用一个电压电源和一个镇流电阻器。图1说明了这种方法。如下所述,此方法有
多项不足之处。LED正向电 压的任何变化都会导致LED电流的变化。如果额定正向电压为3.6V,则图1中LED的电流为20mA。如果电压变为
4.0V,这是温 度或制造变化引起的特定压变,那么正 向电流则降低到14mA。正向电压变化11%会导致 更大的正向电流变化,达30%。另外,根据可用的
输入电压,镇流电 阻的压降和功耗会浪费功率和降低电池使用寿命。



图1:带镇流 电阻的电压电源导致效率降低和正向电流失配


第二种方法、也是首选的LED电流调 整方法是利用恒流电源来驱动LED。恒流电 源可消除正向电压变化所导致的电流变化。因此可产生恒定的LED亮度,无论
正向电流如何变化。产生恒流电源很容易。只需要 调整通过电流检测电阻器的电压,而不用 调整电源的输出电压。图2说明了这种方法。电源参 考电压和电流检测电
阻器值决定了LED电流。在驱动多个LED时,只需把 它们串联就可以在每个LED中实现恒定电流。驱动并联LED需要在每个LED串中放 置一个镇流电阻,
这会导 致效率降低和电流失配。



图2:驱动LED的恒流电源


高效率


便携式 应用中电池使用寿命是至关重要的。LED驱动器如果实用,就必须具备高效性。LED驱动器 的效率测量与典型电源的效率测量不同。典型电源效率测量的
定义是 输出功率除以输入功率。而对于LED驱动器来说,输出功 率并非相关参数。重要的是产生预期LED亮度所 需要的输入功率值。这可以简单地通过使LED
功率除 以输入功率来确定。请注意:如果这 样定义效率的话,则电流 检测电阻器中的功耗会导致电源功率耗散。通过图3所示的公式,我们可 以看出较小的电流传感
电压会 产生较高效率的LED驱动器。图4说明了选用0.25V参考电 压的电源与选用1V参考电压的电源相比,二者的效率提高情况。较低的 电流传感电压电源
更为有效,无论输入电压或LED电流如何,只要其他条件相同,较低的 参考电压都可以提高效率并延长电池的使用寿命。



图3:LED驱动器 效率显示了电流检测电阻器损耗的重要性



图4:低电流 传感电压更有效


PWM调光


许多便携式LED应用都 需要进行光度调节。在LCD背光等应用中,调光功 能可提供亮度及对比度调节。我们可 采用两种调光方法:模拟与
PWM。利用模拟调光,通过向LED施加50%的最大电流可实现50%的亮度。这种方 法的缺点是会出现LED颜色偏 移并且需要采用模拟控制信号,因此使用
率一般不高。以更低忙闲度向LED施加满电流可实现PWM调光。在50%忙闲度 施加满电流可达到50%亮度。为确保 人的肉眼看不到PWM脉冲,PWM信号
的频率必须高于100Hz。最大PWM频率取 决于电源启动与响应时间。为提供 最大的灵活性以及集成简易性,LED驱动器 应能够接受高达50kHz的PWM 频率。


过压保护


在恒流 模式中操作电源需要采用过压保护功能。无论负载为多少,恒流电 源都可产生恒定输出电流。如果负载电阻增大,电源的 输出电压也必须随之增大。这就是电
源保持 恒流输出的方法。如果电 源检测到过大的负载电阻,或者负载断开的话,输出电 压可提高到超出IC或其他 分立电路元件的额定电压范围。恒流
LED驱动器 可采用多种过压保护方法。其中一 个方法是使齐纳二极管与LED并联。这种方 法可以将输出电压限制到齐纳击穿电压和电源的参考电压。在过压条件
下,输出电 压会提高到齐纳击穿点并开始传导。输出电 流会通过齐纳二极管,然后通 过电流检测电阻器接地。在齐纳 二极管限制最大输出情况下电源可连续产生恒定
的输出电流。更佳的 过压保护方法是监控输出电压并在达到过压分界点时关闭电源。如果出现故障,在过压 条件下关断电源可降低功耗并延长电池使用寿命。


负载断开


LED驱动电源中一个 经常被忽视的功能是负载断开。在电源 失效时负载断开功能可以把LED从电源断开。这种功 能在下列两种情况下至关重要,即断电和PWM
调光。如图2所示,在升压 转换器断电期间,负载仍 然通过电感器和捕获二极管与输入电压连接。由于输入电压仍然与LED连接,即使电源已经失效,就会继续产
生一个小电流。即使很 小的泄漏电流也会在很长的空闲期间极大缩短电池寿命。负载断开在PWM调光时也很重要。在PWM空闲期间,电源已经失效,但是输出电
容器仍然与LED连接。如果没 有负载断开功能,输出电容器会通过LED放电,直到PWM脉冲再次打开电源。由于电容器在每个PWM循环开始都部分放电,一
次电源必须在每个PWM循环开 始时给输出电容器充电。因此会在每个PWM循环产 生突入电流脉冲。突入电 流会降低系统效率并在输入总线上产生瞬时电压。而如
果具有负载断开功能,LED就会从电路断开,这样,在电源 失效时就不会存在泄漏电流,而且在PWM调光循 环之间输出电容器都是充满的。实施负载断开电路时
最好在LED和电流 传感电阻器之间放置一个MOSFET。在电流 传感电阻器和接地之间放置MOSFET会产生一个附加压降,其在输 出电流设定点会把自身显
示为一个差错。


简便易用


简便易 用是相对而言的。在评估 电路的简便易用性时,不但必 须考虑初始设计的复杂性,而且还 必须要考虑在未来进行快速修改并把电路用于其他有不同输入或输出
要求的 程序时需要做的工作。总之,滞后控 制器非常简便易用。滞后控 制器可消除传统电源设计中必需的复杂频率补偿功能。虽然频 率补偿对于有经验的电源设计人
员来说是小菜一碟,但是对 于新手来说就不那么轻松了。由于最 佳的补偿随输入和输出条件的不同而不同,传统的 电源设计不能实现针对不同操作条件的快速修改。
而滞后 控制器具有内在的稳定性从而在输出/输出条 件改变时无需改变。


小尺寸


小尺寸 是便携式电路的一个重要特性。电路元 件的尺寸受多种因素的影响。其中一 个因素是切换频率。高切换 频率允许采用小型无源元件。用于便携应用的现代
LED驱动器应能够以高达1MHz频率切换。由于切 换频率并不能明显缩小电路尺寸,而且较 高的切换损耗会降低效率和缩短电池寿命,所以建 议切换频率一般不
超过1MHz。把各种 功能集成到控制IC是实现 小型驱动解决方案的一个最重要的因素。如果上 述所有功能都通过分离的元件实现的话,它们所 需要的电路板空间
将超出 电源自身占用的空间。把它们集成到控制IC可大大 缩小整体驱动器尺寸。功能集 成的第二个同样重要优势是可以降低解决方案总成本。如果分步执行的话,
LED驱动器 中所有预期功能会导致每额外个别成本增加0.60~0.70美元。而当集成到控制IC时,这些功能只会增加IC成本0.10~0.15美元。


实用解决方案


TPS61042是现代LED驱动器控制IC的绝佳例子。图5说明TPS61042的方框图。方框图 显示一个高度集成的控制IC。Q1是一个低电阻集成电
源FET。此部件 的低电阻有助于实现极高的效率。0.25V参考电 压可降低电流传感电阻器中的损耗。通过在高达50kHz频率情况下向CTRL引脚施加
PWM信号,此IC可以轻松实现PWM调光。Q2实现集 成的负载断开电路。由于已经集成,负载断开电路可以与PWM调光频率完美同步。过压保护功能也已经
集成到IC中。大多经 验丰富的电源设计人员都会看出省略了误差信号放大器和相关补偿电路。这种功 能已经被误差比较仪所取代。该IC利用滞 后控制反馈拓扑工
作,因此不 需要补偿并且具有内在稳定性。在方框图中未显示IC物理尺寸。全部电 路和功能都集成到3mm′3mm的QFN封装中。图6说明了一个典型LED
驱动应用,其驱动4个LED,正向电流为20mA,输入电压范围为1.8V~6.0V。整个电路是由控制IC、2个小陶瓷帽、1个电感器、一个二级管和1
个电流 传感电阻器组成。这种紧凑、高度集 成的电路说明了利用当今的LED驱动器 可以实现的高水平集成。利用控制IC和6个小表 面贴装无源元件就可以实现主
要电源 功能和辅助功能,如:负载断开、过压保护、PWM调光等。



图5:TPS61042方框图 说明了高水平集成



图6:典型TPS61042 LED驱动器解决方案

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