白光LED的高效緊湊驅(qū)動(dòng)方案

1、白光led的高效緊湊驅(qū)動(dòng)方案（圖）2008-4-24 13:20:27作者：來源：電子產(chǎn)品世界 瀏覽量：453次 網(wǎng)友評論：0條摘要：系統(tǒng)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以在采用簡潔的電荷泵方案的同時(shí)亨有效率比美與基于電感的方 案，并且不需要增加成本、外圍元件和印刷電路板面積。由于采用了兼容rohs標(biāo)準(zhǔn)的微型 3x3mm低外觀tqfn封裝，catalyst cat3636四模式自適應(yīng)分?jǐn)?shù)電荷泵的推出是適用于li 前最新的便攜式產(chǎn)品屮的led驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)飛躍性進(jìn)步。無需增加成本、外圍元件和印刷電路板空間，新式白光led驅(qū)動(dòng)拓?fù)渚湍軌蛱峁I(yè)界 領(lǐng)先的效率和簡單架構(gòu)的電荷泵。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員目前面臨一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)，他們需要

2、利用彩色便攜式顯示屏來最大限度地 提升系統(tǒng)功能和效率，同吋又要實(shí)現(xiàn)成本和尺寸最小化。現(xiàn)在已經(jīng)到了需要為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提 供一種全新的led驅(qū)動(dòng)拓?fù)涞臅r(shí)候。白光led需要大約3.6伏的供電電壓才能實(shí)現(xiàn)合適的亮度控制。然而，大多數(shù)掌 上設(shè)備都采用鋰離子電池作電源，它們在充滿電之后約為4.2伏，安全放完電后約為2.8伏, 顯然白光led不能由電池直接驅(qū)動(dòng)。替代的解決方案是使用升壓電路，在需要時(shí)提高驅(qū)動(dòng) 的電壓，從而在整個(gè)電池使用周期i'可內(nèi)不i'可斷地為led穩(wěn)定供電。lcd顯示屏屮使用的led驅(qū)動(dòng)器有兩個(gè)要求。首先它們要能準(zhǔn)確控制和匹配侮一 個(gè)led的亮度，這將最大限度地保持顯示屏背光

3、的一致性;其次led驅(qū)動(dòng)器要能夠把輸入 的電池電壓升高，這將保證在整個(gè)電池的使用周期內(nèi)能為led提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，從而 延長設(shè)備的使用時(shí)間。基于電感的led驅(qū)動(dòng)器通常用于驅(qū)動(dòng)串型連接的led,此種結(jié)構(gòu)本身就能夠提供 一致的匹配。它們還能夠提供可變和優(yōu)化的電壓升高比例，因此具有非常高的電源轉(zhuǎn)換效率。 然而，由于外部元件的尺寸和成本，以及討厭的電磁干擾（emi）,基于電感的led驅(qū)動(dòng)器方 案具有明顯的缺陷。體積龐大的儲能電感限制了這種方案在細(xì)長和低外觀的小型掌上設(shè)備中 的應(yīng)用。另一方面，電荷泵型led驅(qū)動(dòng)器則提供了一個(gè)非常好的解決方案，其外部電路只 需使用極小的電容即可。這使之成為進(jìn)一步推動(dòng)消費(fèi)

4、增長的更小更薄的便攜式設(shè)備的理想選 擇。電荷泵上的各個(gè)電流通道使用匹配的電流獨(dú)立驅(qū)動(dòng)各并行連接的led,但是，升壓比 例是離散的，由不同的運(yùn)行模式（倍增因子）而定。對用的運(yùn)行模式數(shù)量和當(dāng)前的電池電壓決 定了整個(gè)電荷泵的電源效率。常見的電荷泵方案使用二個(gè)外部飛電容來提供三種運(yùn)行模式（1倍，1.5倍，2倍）來 進(jìn)行升壓。隨著電池的消耗，這些器件逐次提高升壓參數(shù)。在每一種升壓模式屮，最大輸出 電壓等于輸入電池電壓乘倍增因子。超過驅(qū)動(dòng)led所必需的那部分電壓的能量，將在電荷 泵或者電流調(diào)節(jié)器中被消耗掉，這就降低了整個(gè)電路的轉(zhuǎn)換效率。嵌入更多的運(yùn)行模式有助于在鋰電池的整個(gè)使用周期內(nèi)限制過高的電壓增益，從

5、而 提高效率。某些電荷泵目前提供笫四種運(yùn)行模式（1.33倍），按照1倍、1.33倍、1.5倍和2倍依次提高輸出電壓。實(shí)現(xiàn)l33倍升壓的常規(guī)方法需要增加器件引腳和外部元件的數(shù)暈， 相應(yīng)地，需要更多引腳的封裝和更大面積的印刷電路板空間，這使整個(gè)解決方案的成本遠(yuǎn)高 于只有三種運(yùn)行模式的器件。efficiency vs battery voltage22 2.4 2.6 28 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4battery voltage(v 1x,2x1xj.5x.2x» 1 x,1.33x,1.5x, 2x inductive boost圖1通過增加-個(gè)1.

6、33倍運(yùn)行模式，電荷泵方案的效率相當(dāng)于基于電感的方案按照1倍、1.33倍、1.5倍和2倍順序來提升電壓的電荷泵達(dá)到了傳統(tǒng)上基于電感 的升壓轉(zhuǎn)換器的效率（圖1）,同時(shí)還擁有與電荷泵方案相應(yīng)的低成木和小尺寸的全部好處。 此外，通過使用1.33倍運(yùn)行模式，過高提升的電壓被盡量限制，從而減少電源浪費(fèi)和由此 而產(chǎn)生的熱損失（圖2）o圖2三模式和四模式屮電源浪費(fèi)對比目前已經(jīng)有一種創(chuàng)新的、即將獲批美國專利的自適應(yīng)分?jǐn)?shù)電荷泵器件，該器件在保 持低成本和三模式（1倍、1.5倍和2倍）器件的簡單性的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)第四種電荷泵運(yùn)行模式 （1.33倍）。四模（quad-mode tm）電荷泵能夠提供更高的效率，同時(shí)不必

7、增加外部元件及相 關(guān)的成本和印刷電路板空間。此外，1.33倍分?jǐn)?shù)工作模式還可減少電池端的可見電流紋波。 這有助于最大限度地減少整個(gè)供電噪聲，這在手機(jī)等便攜式設(shè)備屮是一個(gè)很重要的指標(biāo)。圖3常規(guī)的1.33倍運(yùn)行模式需要三個(gè)外部飛電容常規(guī)的1.33倍運(yùn)行模式（圖3）盅要三個(gè)飛電容，通過使用兩相轉(zhuǎn)換（充電和升壓）來實(shí)現(xiàn) 1.33倍升壓。catalyst semiconductor的新型1.33倍轉(zhuǎn)換架構(gòu)（圖4）通過增加額外的第三個(gè)轉(zhuǎn) 換相來完成1.33倍升壓，這就消除了通常所需外接的第三個(gè)飛電容。phase3f phase 1phase 2vout圖4新的catalyst 1.33倍運(yùn)行模式架構(gòu)消除了

8、第三個(gè)飛電容在這種新的1.33倍升壓架構(gòu)中（圖4）,第一相動(dòng)作是把飛電容c1和c2串聯(lián)并通過 輸入電源為它們充電，笫二相動(dòng)作是把與輸入電源相連的電容c1與c2斷開并轉(zhuǎn)接至輸出 端實(shí)現(xiàn)升壓，與此同時(shí)，電容c2因與c1斷開而保持浮空狀態(tài)。第三相動(dòng)作是串接c1和 c2并串聯(lián)于輸入和輸出間實(shí)現(xiàn)第二次升壓，電容c1在這過程中是被反向接入的，因此， 電容c1的正極被連接到輸入電源，而電容c2的正極被連接到輸出端。通過這三相操作， c1將被充電到輸入電壓的三分之一，c2將被充電到輸入電壓的三分之二，這就可以把輸出 電壓升高到輸入電壓的三分之四(4/3)倍。穩(wěn)態(tài)輸出電壓可通過求解由基爾霍夫電壓定理所確定的每相

9、電壓方程而得到：第一相：vin = vc1 + vc2(1)第二相:vout = vin + vc1 (2)第三相:vout = vin - vc1 + vc2 (3)將替換到:vin + vc1 = vin - vc1 + vc2 (4)vc2 = 2 vc1 (5)將(5)替換到(1):vc1 = 1/3 vin (6)將(6)替換到(2):vout = 4/3 vin (7)catalyst半導(dǎo)體公司的最新產(chǎn)品cat3636(圖5)已經(jīng)包含了這種新的四模式 (quad-modetm)自適應(yīng)分?jǐn)?shù)電荷泵交換架構(gòu)。cat3636包含三組共6個(gè)led驅(qū)動(dòng)通道，每 組包含兩個(gè)嚴(yán)格穩(wěn)流和匹配的通道。通過一個(gè)單線接口(包含地址和數(shù)據(jù))邏輯，可以實(shí)現(xiàn)完 整的功能和調(diào)光控制，這就可以對各個(gè)led組進(jìn)行單獨(dú)和精確的設(shè)置。在含有主，副顯示屏 的彩色lcd背光系統(tǒng)或rgb led組或閃光功能的便攜式產(chǎn)品中，這一接口還有助于減少引 腳和接口連接數(shù)量。圖5 cat3636 led驅(qū)動(dòng)器框圖：新的四模式交換架構(gòu)消除了常規(guī)方案所必需的第三個(gè) 外部飛電容系統(tǒng)設(shè)計(jì)師