白光LED驱动器的选择策略和设计实例
本文针对如何选择正确的白光LED驱动器，介绍了电感式驱动器和电荷泵驱动器、它们的局限以及如何权衡考虑。作者还讨论了如何评估白光LED驱动器的典型特性，并提供了外部元器件选择指导以及实际的设计范例和布局考虑。
今日的许多便携式消费电子产品都有显示屏幕，例如移动电话、PDA和MP3播放机等，虽然屏幕的种类和大小通常是根据应用决定，但设计工程师必须负责为它设计电源和背光电路。白光LED是便携式消费电子产品目前最常采用的背光方案选择。
驱动白光LED的主要目标是产生正向电流通过器件，这可采用恒压源或恒流源来实现。图1是成本最低的解决方案，它将白光LED串联一个镇流电阻(RB)，再于电路的两端加上恒压源。然而这种方法有其缺点，镇流电阻会限制通过的电流，白光LED的非线性V-I曲线也让这种方法的稳流能力非常差；此外，只要外加电压或白光LED的正向电压(VF)有任何变动，白光LED的电流都会改变。当额定正向电压为3.6 V时，会有20mA电流通过图1的白光LED，若温度或工艺改变让此电压变为4.0V(仍在正常的3V至4V容差范围内)，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，这是许多应用无法接受的。
比较理想的白光LED驱动方式是采用恒流源，它能避免白光LED正向电压改变而造成的电流变动，即使用可控制的恒定正向电流，就能提供可控制的恒定显示亮度。恒流源的产生非常简单，控制器不需将电源输出稳压，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个白光LED，若设计人员要灵活地驱动多个白光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，每个白光LED都必须串联一个镇流电阻，避免通过它们的电流出现差异，但是这些电阻也会浪费功率，降低电路效率。
电感式驱动器和电荷泵驱动器的比较
所有专为驱动白光LED而设计的IC都提供恒定电流，其中绝大多数是基于电感或电荷泵的解决方案，这两种解决方案各有其优缺点。电荷泵解决方案或称为开关电容解决方案，利用分立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，所以是受欢迎的解决方案。电荷泵电源的体积很小，设计也很简单，选择元件时通常只需根据元件规格从中挑选适当的电容。电荷泵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IC的转换比率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驱动一个以上的白光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驱动多个白光LED时，必须使用镇流电阻来防止电流分配不平均，但这些电阻会减少电池的寿命。
电感式解决方案体积小、效率高，适合为绝大多数消费类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)，它们最多能驱动六个或七个串联的白光LED，这种做法有其优点，因为许多显示器内置的白光LED都采用串联模式；就算并未将白光LED内置于显示器屏幕中，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块电路板连接至另一块电路板。驱动五个并联的白光LED共需使用连接器的六个管脚，驱动串联在一起的五个白光LED只需要两个管脚。
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，以适应周围环境，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。调光功能的实现方法可分为两种：模拟和PWM。采用模拟调光技术时，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：白光LED色移；需要模拟控制信号。PWM调光技术在减少的电流占空周期内提供完整电流给白光LED，例如要将亮度减半，只需在50%的占空周期内提供完整电流。PWM信号频率通常会超过100Hz，以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的启动和反应时间而定；为了得到最大灵活性，同时让整合更容易，白光LED驱动器最高应能接受50kHz的PWM频率。调光信号通常来自系统处理器的GPIO接脚。
在出现开路故障的情况下，恒定电流的白光LED驱动器需要过电压保护。如上所述，白光LED和驱动器通常在不同的电路板上，因此连接器的管脚松脱就会造成开路故障，另一个可能性则是白光LED出现造成开路。无论是那一种情形，驱动器为了提供恒定电流，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IC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IC，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。齐纳二极管也可用来限制最大输出电压，然而这种做法的效率很低，因为在故障情况下，会有预先设定的最大电流通过齐纳二极管。
白光LED驱动器电源常被忽略的一个特性就是负载切断。在电源关掉时，负载切断可从电气上将白光LED与输入源切断。这项特性在两种情形下非常重要：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逆向电压保护二极管(catch diode)连接到输入端。由于输入电源仍连接至白光二极管，就算电源停止工作，依然会有很小的电流继续通过。便携式产品可能有高达95%的时间处于待机状态，就算泄漏电流非常小，电池寿命也会大幅减少。负载切断特性对于PWM调光也很重要，因为在调光停止期间，电源虽然不供应电流，但输出电容却仍连接至LED，若没有负载切断特性的协助，输出电容就会通过LED继续放电，直到调光脉冲让电源进入导通状态。由于输出电容在每个调光周期刚开始时都处于部分放电状态，电源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，这个涌入电流不但会降低系统效率，还会在输入电源线路上造成电压瞬时变动。有了负载切断功能，LED与电路的联机就会切断，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现方法是在LED和电流感测电阻之间加入MOSFET晶体管，因为将MOSFET晶体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。
设计实例
这里以设计一部多功能手机屏幕的白光LED驱动器为例，电源是由输入电压在2.7V至4.2V之间的锂电池供应。手机屏幕内置四个串联的白光LED，每个的最大正向电流为20mA，这种设计需要20mA最大输出电流和4×4V=16V电压。该手机规格要求有屏幕亮度调整功能，手机在闲置一段时间后，能够逐渐降低屏幕亮度。系统处理器通常是由OMAP器件，负责提供PWM调光功能所需的数字信号。电池寿命是主要考虑因素，因此效率应尽量提高。手机屏幕大约有98%的时间处于待机模式，因此需要真正的负载切断功能，以便延长电池的使用时间。手机受到体积限制，需要小型的集成化解决方案，TPS61043能满足这些要求，它是电感式升压转换器，内建功率FET晶体管，也是专为白光LED而设计的驱动IC。TPS61043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IC能够使用体积最小的外部元器件。
主要的工程挑战在于选择正确的外部元件，同时完成适当的电路布局。电流感测电阻是最容易挑选的元件，正确的电阻值是由IC参考电压0.252V除以所要求的白光LED最大电流0.02A来决定，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。注意电阻的功耗只有5mW，因此可选择0402型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)。如同所有的开关式转换器一样，选择电感就是在效率和电路板面积间做出取舍，较大的电感值可提供更小的阻抗、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。
在传统的升压转换器中，输出电感和电容会决定转换器的反馈回路是否稳定，因此被选中的电感、电容和补偿网络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，因此不必考虑反馈补偿的问题。在这个控制拓扑中，开关频率Fs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：
其中：
Iout是白光LED的电流 (最大值0.02 A)；
Vout是输出电压 (最大值16 V)；
Vin是输入电压 (最小值2.7 V)；
VF是逆向电压保护二极管的正向电压，此处假设为0.4 V
Ilim是峰值开关电流(总是0.4 A，由控制拓扑决定)
Lout是电感值
既然体积是重要的设计参数，电源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最终方程式可供求解。典型的设计步骤是选择一个接近最大可能频率的频率，设计转换器，然后重新调整开关频率和测量工作效率，接着不断重复整个过程，直到他们发现效率令人满意为止。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控制拓扑都会将电感的峰值电流设为400mA，因此我们将电感的饱和电流设为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，故能符合我们的要求。这个电感的线圈阻抗为150mΩ，体积则只有3.2×2.5×1.55厘米。
选择输入和输出电容
输入电容帮助稳定电源的输入电源阻抗，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，开关式电源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纹波，进而冲击到系统的其余部份。TPS61043建议使用4.7μF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，在不增加输入电容的前提下，减少输入纹波电压的方法之一是提高驱动器的开关频率，这可通过减少电感值来完成；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。
开关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出现很大的纹波电流。幸好纹波电流并不会对白光LED造成什么影响，显示器亮度是由白光LED平均电流决定，任何频率在100Hz以上的纹波电流都不会被眼睛察觉。假设白光LED电流波形的波峰为30mA，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19 V，而陶瓷电容在两倍的额定电压下才会烧坏，所以16 V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。
电源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。正向电压很小的肖特基二极管可以提供最高效率。
布局布线
选择正确的IC，并为它挑选支持元件，都只是设计过程的一部份。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噪声。图6是最后得到的白光LED驱动器电气原理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布线。在供电电源中，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IC的地线管脚，然后从IC的SW接脚离开，最后再回到D1，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，这个物理回路面积应尽量缩小。波形B是开关节点的电压，它会以每秒60万次的速度在地电位和输出电压之间切换，因此这个电路网络应该越短越好，减少任何可能的电磁辐射。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，减少电磁辐射和电路板的电压摆动。注意输出电容的位置应很靠近电源，而不是靠近负载，这样所有开关电流将局限在电源端。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滤波。如果输出电容的位置靠近白光LED，而不是电源供应电路，电流就会在两张电路板之间流动，使得系统噪声增加。
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