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低压电池供电仍是LED驱动器的主流应用

发布时间:2020-06-30 18:28:35 阅读: 来源:装载机配件厂家

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,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。

下表1中列出了使用不同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。

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