低压电池供电仍是LED驱动器的主流应用

 引言
近年来，白光LED在照明领域成为越来越重要的创新产品。出众的使用寿命及光效率使白光led在快速增长的应用产品中，成为客户首选的解决方案。集成电路制造商已开发出多种解决方案，使工程人员在最佳工作条件下使用这些新型元件。本文旨在帮助他们选择最佳的LED驱动器拓扑结构。虽然也可使用高压交流电源驱动LED，但是低压电池供电系统仍然是主流应用方案。因此，本文将着重关注后一种类型的驱动器。

　　驱动器比较
在介绍驱动器工作原理之前，让我们简单了解一下LED的一些基本特性。发射光与通过发光二极管的电流量成线性正比关系。因此，严格控制正向电流对于获得所需的光发射而言极为重要。而且，与其它二极管相比，白光LED呈高度非线性。与普通整流器相比，白光LED在电气性能上的唯一区别是其电压为正向电压，范围在3V~4V之间。因为电流和电压的关系与温度及工艺有关，所以在 LED上施加电压会导致电流轻微失控。因此，驱动LED的最佳方法是在电流模式中进行操作。
LED驱动器的选择范围很广，但其目标应用数量有限。彩屏手机的广泛使用推动了白光LED的生产。白光LED被视为显示屏背光的最佳解决方案。因此

，驱动器首先开发使用锂离子电池供电。允许的电源电压范围一般是2.7V~5.5V。出于同一使用原因，连接到一个驱动器的LED数量直接取决于LCD的尺寸。很多时候，LED的使用数量为3~5个，但是对于大型显示屏，可使用多达10个 LED。第三个限制因素是解决方案的尺寸。制造商始终在寻求最小且最薄的解决方案。由于该方案使用电池供电，因此效率成为区分驱动器的关键因素。第二种电路类型是闪光灯，背光电路之间的主要区别是输出功率。用于摄像手机闪光灯的LED需要100mA~ 1.2A电流，而普通背光仅需 20mA，LED的数量从1个到4个不等。如果不需要超过500mW 的电气功率，则显示屏背光电路有极大的选择空间。一般来说从500mW~ 5W的规格更接近于闪光灯应用。
 现在让我们看一下不同的拓扑结构（如图1所示）。正向电压通常高于电池电压，所以电容性电荷泵或电感升压装置可用于提高可用电压。电感升压装置的独特优点在于，仅需使用一个功率开关即可产生足够电压，以串联LED。没有其他较好的方案能像这方案确保所有LED具有相同电流和亮度，可对电感的充放电进行有效控制，确保稳定的电流通过与LED串联的检测电阻。这种电路的特点是效率较高。例如，NCP5006在输出电压为22V的情况下可以实现高达90%的效率。当然，实现这些卓越特性也要付出代价，即需要电感。这种元件一般比电容更贵更厚。对于非常重视厚度和 PCB面积的应用，最佳解决方案通常是电容性电荷泵。

 　　电荷泵用电池电压对电容器进行充电，然后用电气方法对电容器电压进行“存储”，提供高于电源电压的输出电压，需要使用数个开关对电容器进行正确连接。内部复杂度有所提高，但外部元件可能较小。电荷泵是一个电压源，其数值取决于电容和开关数量。因此，在不大幅提高复杂度的情况下，达到较高输出电压更为困难。在这种情况下，要对LED进行并联而不是串联。要确保LED电流稳定，可通过附加电流源或电阻。对电流源进行匹配，确保LED之间的电流差异微乎其微。当精确度处于次要地位时，最好使用电阻来减少连接数量并降低复杂度。电荷泵的主要缺点在于其效率。开关和电容器的数量决定了电荷泵的乘数N。此比例通常为1.5 或2。下列简单的方程给出了理想效率的算法：

 　　实际上，Vout 不可能等于N.Vin，因为确保内部电路正确偏置的最小压降在于驱动器本身，但是有些制造商声称效率可以高达95%。当分析数据表时，值得注意的是表中的值是最优值。除非输入电压完全符合最优条件，否则需要在参数曲线上检查最坏情况。比如，图2显示了电感升压装置 (此处为NCP5006) 与有两个乘数的电荷泵之间的效率差别。
如上所述，驱动器限制电源电压通常为5.5V或6V，这在一些应用中是极为重要的限制。幸好某些电感升压装置与电感器不同，无需连接到同一个电源上，如NCP5006-NCP5007。电路限制电源电压为5.5V，但是功率开关最高可以维持22V。由于电路的内部架构不同，因此可以采用应用中的低压稳压源对其进行供电，而电感器则需连接到更高的电池电压上。

    其中，一个重要的参数是LED驱动器产生的噪声。因为电容器要进行充放电，所以电荷泵是大电流毛刺的来源。如欲减少这种影响，则必须进行高质量的输入滤波。由于存在电感，电感升压装置会引起电磁干扰(EMI)。通常情况下，可变频率的干扰少一些，但是频率值取决于工作条件。系统设计人员通常偏好稍高的EMI水平，但使用固定频率。

    使用不同LED驱动器拓扑结构可获得的典型参数值。很明显，可以找到因某个参数而超出这些性能的器件，但是此表旨在于帮助工程人员识别可以满足一系列要求的电路类型。