1、  提升電源調(diào)節(jié)器驅(qū)動白光LED的電路

    白光LED的應(yīng)用使閃光燈進入更新型的應(yīng)用領(lǐng)域，它所顯出的可靠性、耐久性以及白光LED的功耗控制能力使這些器件極具吸引力。在采用白熾燈時，對器件的電源管理只是簡單的開關(guān)切換。然而白光LED不能直接采用閃光燈中的電池進行工作，因為它要求的電壓是介于2.8V和4V之間的，而相比之下電池電壓只有 1.8V~3V。電源管理的復(fù)雜性有所增加，因為白光LED的光輸出與電流相關(guān)，而白光LED的特征與電壓呈現(xiàn)出極端非線性的關(guān)系。解決此問題的方法之一是提高電源的電流限制能力。

    采用提升電源調(diào)節(jié)器驅(qū)動白光LED的電路如圖1所示。提升電源調(diào)節(jié)器TPS6200×可以產(chǎn)生白光LED所需要的高電壓。內(nèi)部升壓功率級可連接VIN與PGND端，從而為輸出引腳L提供電流。此電路通過打開輸出端開關(guān)進行工作，從而可以連接電感器L1上的電池電壓。一旦電感器L1儲存了足夠的能量，輸出端開關(guān)立即關(guān)閉。電感器電流可驅(qū)動開關(guān)節(jié)點切換到負極，并驅(qū)動輸入端的能量轉(zhuǎn)移到輸出電容器C1中。由于輸出端與輸入端的開關(guān)是MOSFET管，因此壓降低于二極管方案，從而可以實現(xiàn)高的效率。調(diào)節(jié)器TPS6200×通過檢測電阻器能監(jiān)控流經(jīng)白光LED 的電流，同時將檢測電壓與內(nèi)部的0.45V參考電壓進行對比，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。因此，電流與照度是檢測電阻器電壓的函數(shù)。雖然TPS6200×的內(nèi)部參考電壓比其他大多數(shù)變換器的電壓要低，但也會造成功率損耗。在采用2.8~4V的白光LED電壓時，其效率將降低10%~14%。應(yīng)通過降低電阻器的阻值并采用放大器實現(xiàn)低電壓，以降低這種損耗。

                         圖1  提升電源調(diào)節(jié)器驅(qū)動白光LED的方案

    圖2示出了在350mA電流調(diào)整點時的負載電流調(diào)節(jié)與升壓電壓的效率曲線。在正常的電池電壓范圍內(nèi)，工作效率可達到80%以上，但是隨著電池電壓降低到壽命終點值，效率會降低。另外，圖2還說明了有無檢測電阻的影響。在輸入電壓較高時，效率接近95%，而在輸入電壓較低時，效率將降到80%。曲線的趨勢源自兩個相關(guān)的效應(yīng)：一是在高輸入電壓下，輸入電流和開關(guān)電流較低，因此傳導(dǎo)和開關(guān)損耗較低；二是與自耦變壓器極其類似，升壓功率級不處理總輸入功率。功率級處理的功率量與升壓電壓相關(guān)，或者與輸入電壓和白光LED電壓之間的壓差相關(guān)。在此設(shè)計中，白光LED的電壓大約為8.7V，因此，在8.2V的高壓線路上，功率級只處理功率的6%[（8.7-8.2）/8.7]。在電流高得多的低壓線路上，功率級要處理8.2V時的4倍功率，即24%的功率。

                                圖2  電路的效率曲線

    2、白光LED的控制電路

    白光LED為電流驅(qū)動器件，光輸出強度由流過LED的電流決定。圖3所示的是由電壓源和限流電阻構(gòu)成的一種簡單偏置電路，流過白光LED的電流由下式確定：IDIODE=（VCC-VF）/（RLIM+RDS（ON））           （1）

                                        圖3  LED偏置電路

    這種方式的成本較低，但要求不同二極管的正向電壓VF要一致。圖4、圖5表示25℃時白光LED的正向電壓（典型值）與導(dǎo)通電流的關(guān)系曲線。從電流指標(biāo)可以看出，對于GaAsP白光LED，VF可以上升到2.7V（+40%）；對于InGaN白光LED，VF可以上升到4.2V（+20%）。如果系統(tǒng)中需要多只白光LED，如移動電話背板顯示器采用8只白光LED，則按照圖6的設(shè)計方案將需要多個限流電阻，占用較大的線路板面積。

      圖4 典型GaAsP正向電壓與導(dǎo)通電流的對應(yīng)關(guān)系     圖5 典型InGaN正向電壓與導(dǎo)通電流的對應(yīng)關(guān)系

          圖 6  利用MAX1910/MAX1912電荷泵實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)的電路

    如果將VCC增大到VF的10倍以上，可以減少VF變化的影響，但耗電較多，不符合電池供電產(chǎn)品的需求。對于采用單節(jié)鋰離子電池供電的系統(tǒng)，鋰離子電池電壓的變化范圍為3~4.2V。如果白光LED的偏置電路只是簡單地由鋰離子電池和限流電阻組成，輸出亮度將會產(chǎn)生明顯的變化。合理的方案應(yīng)該是采用電流偏置電路。

    （1）電流偏置電路

    電流偏置電路實際上是用一個電流源為白光LED提供偏置。如果電流源具有足夠的動態(tài)范圍，這種偏置方式將不受VF變化的影響。圖7為電流偏置方案的原理圖。該電路將圖3中的限流電阻用電流源替代。光輸出強度與電源和正向電壓無關(guān)，只要有足夠的電源電壓為LED提供偏置即可。在圖7中，Q1為使能控制開關(guān)。

                                     圖7  電流偏置方案的原理圖

    MAX1916為專用白光LED驅(qū)動集成電路，它提供了一種先進的白光LED電流偏置電路。MAX1916在微型SOT-23封裝內(nèi)集成了三組電流源，流過RSET的電流鏡像到三個輸出端，如圖8所示。電路中幾個相同的MOSFET管具有相同的柵源電源，因此，它們的溝道電流相同，電流的大小由鏡像電流ISET決定。MAX1916的最大電流失配度為±5%，“鏡像系數(shù)”為200A/A。也就是說，當(dāng)ISET為50μA時，每個輸出端的電流為10×（1±0.05）mA（最大值）。SET端由內(nèi)部偏置在1.25V。ISET由下式?jīng)Q定：

ISET=（VCC-1.25V）/RSET    （1）

IOUT=200ISET               （2）

                                            圖8  MAX1916為LED提供的鏡像電流

每路電流之間的偏差為±5%。輸出端飽和電壓為：

VOUT（SAT）=RDS×IOUT    （3）

    MAX1916的漏源電阻在整個溫度范圍內(nèi)保證不高于50Ω。一個工作電流為2mA的GaAsP白光LED保證正常工作所需要的最低電壓是VF+100mV， 2.71V的輸入電壓能夠?qū)�GaAsP白光LED的工作電壓維持在2.7V。為了獲得更低的壓差和更高的輸出電流，可以將MAX1916的三路輸出并聯(lián)構(gòu)成“鏡像系數(shù)”為600A/A的電流源，如圖9所示。并聯(lián)后的漏源電阻為50/3=16.67(Ω)（最大值）。這種連接方式允許單只白光LED在3V供電時電流達到20mA以上，滿足目前便攜式移動電話等產(chǎn)品的背光要求。用于設(shè)置端電流的電壓源可以由帶載能力較強的主電源單獨提供，例如在移動電話中，VSET可以由射頻（RF）電路的低噪聲+2.8V電源提供。如果直接由單節(jié)鋰離子電池供電，MAX1916適用于驅(qū)動正向電壓較低的GaAsP白光LED，而對于正向電壓較高的InGaN白光LED，則需采用其他驅(qū)動方案。因為由鋰離子電池供電時，隨著電池的放電，輸入電壓可能無法滿足白光LED所要求的偏置電壓。

                                 圖9  MAX1916的三路輸出并聯(lián)構(gòu)成電流源

    （2）用電荷泵升壓變換器驅(qū)動白光LED的方案

    正向電壓為8.5~4.2V(在20mA電流下)的白光LED通常需要升壓變換器，可以用電荷泵（如MAX682~MAX684）與MAX1916共同構(gòu)成這種白光LED的驅(qū)動電路，如圖10所示。MAX682~MAX684能夠?qū)?.7V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為5.05V輸出，輸出電流能夠分別達到 250mA、100mA和50mA。利用MAX684的關(guān)斷控制引腳或MAX1916的使能控制引腳可以關(guān)閉白光LED。在圖10所示電路中， MAX684在關(guān)斷模式下，電源電流降至22μA；RSET=43kΩ時，白光LED的電流為22mA。

                   圖10  采用電荷泵升壓電路控制三只LED

    圖11所示的是利用電荷泵構(gòu)成的白光LED電流控制電路，反饋調(diào)節(jié)電壓的典型值為1.235V， Ipk=1.235/RSENSE，選用24Ω的檢流電阻能夠為白光LED提供50mA電流。當(dāng)電荷泵工作時，輸出電壓上升至白光LED的開啟電壓，白光LED開始導(dǎo)通。白光LED的典型正向電壓為8.5×（1±0.1）V，加上反饋調(diào)節(jié)電壓，MAX1759的輸出端提供的偏置電壓為4.735V。該電路輸出電壓的紋波在40mV以內(nèi)，不會導(dǎo)致白光LED的輸出產(chǎn)生明顯變化，通常人眼覺察不到。另外，圖11所示電路在關(guān)斷狀態(tài)下時輸入與輸出之間沒直流通路。

                                    圖11 用電荷泵構(gòu)成的白光LED電流控制電路

    （3）基于電感變換器的白光LED驅(qū)動解決方案

    MAX1848將升壓變換器與電流控制電路集成在6引腳SOT-23封裝內(nèi)，利用電流檢測驅(qū)動三組白光LED，每組包括三只串聯(lián)連接的白光LED，如圖 12所示。輸入電壓范圍為2.6~5.5V，MAX1848利用電壓反饋結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)流過白光LED的電流，較小的檢流電阻（5Ω）有利于降低功耗，保持較高的轉(zhuǎn)換效率。模擬控制器用于控制所有白光LED的亮度。在典型應(yīng)用電路，L1=33μH，CCOMP=150nF，COUT=1.0μF，RSENSE=5Ω。白光LED的電流由控制電壓確定，IOUT=VCTRL/（18.33×RSENSE）。

                             圖12  用基于電感的電流調(diào)節(jié)器驅(qū)動多只LED

    白光LED的亮度可以通過MAX1848的CTRL引腳的D/A變換器調(diào)節(jié)或電位器分壓電路調(diào)節(jié)，電壓控制范圍為+250mV~+5.5V，將控制引腳接地可實現(xiàn)關(guān)斷。負載功率為800mW時，電路轉(zhuǎn)換效率達88%。

    MAX1916內(nèi)部配置三路可調(diào)電流源結(jié)構(gòu)，可控制多種LED；直接采用單節(jié)鋰離子電池供電，可驅(qū)動紅光、綠光或黃光GaAsP LED；配合電荷泵升壓變換器，MAX1916還可用于驅(qū)動白光InGaN LED。對于有更高功率要求的應(yīng)用，需采用基于電感的MAX1848，外部只需要極少的元件，輸出功率為800mW時轉(zhuǎn)換效率達88%。

    （4）由MAX1984構(gòu)成的白光LED驅(qū)動電路

    MAX1984的主要特點為：采用轉(zhuǎn)換效率高于95%的升壓式同步整流DC/DC變換器，并且無需外部肖特基二極管，工作頻率為1MHz，可減小電感及電容的尺寸；驅(qū)動器總的效率高達90%；可驅(qū)動8只白光LED，其電流不匹配最大值為8%；可設(shè)定白光LED的最大電流；有三種方式可調(diào)節(jié)白光LED的亮度；可選擇某些白光LED亮、某些不亮；可關(guān)閉白光LED控制，在關(guān)閉狀態(tài)下靜態(tài)電流為0.1A（典型值）；有獨特的0.5mAV LED測試模式；內(nèi)部有過壓保護；工作電壓范圍為2.7~5.5V；有低壓鎖存功能（2.4V）；采用20管腳小尺寸4mm×4mm QFN封裝；工作溫度為-40~+85℃。

    MAX1984的典型應(yīng)用電路如圖13所示，這是一個驅(qū)動8只白光LED的電路。有關(guān)能數(shù)的計算及組件的選擇如

                    圖13  MAX1984的典型應(yīng)用電路

    ① 亮度調(diào)節(jié)。白光LED的發(fā)光亮度能通過SETI端的電流進行選擇（15%~100%）。有三種調(diào)節(jié)模式：DPWM模式、模擬電壓模式及2位或3位并行控制模式。

    ·最大白光LED電流ILEDC（FS）的設(shè)定。最大白光LED電流ILEDC（FS）由SETI端來設(shè)定，SETI端接IN端時，ILED（FS）=18mA；SETI端接GND端，白光LED電流為0.5mA。SETI端接電阻RSETI時，ILED（FS）與RSETI阻值的關(guān)系為

    ILED（FS）=12+0.75KVref/RSETI      (4)

    式中：K=3851，Vref=1.25V。

    ·DPWM模式調(diào)節(jié)。將MODE端及BITC端接IN端，BITB端懸空，DPWM信號由BITB端輸入。這時白光LED的電流ILED由下式?jīng)Q定：

    ILED=D×ILED（FS）                 （5）

    式中：ILED（FS）是由SETI端設(shè)定的電流值；D是DPWM信號的占空比。

    平均電壓的獲得是通過內(nèi)部的一個RC濾波器實現(xiàn)的，其時間常數(shù)為0.1ms，它適用于DPWM頻率為10kHz~2MHz的情況。若采用更低的頻率，則需要在BITB端外接一個電容CEXT到地，以增大其時間常數(shù)。DPWM的占空比為20%~100%。在DPWM模式下，當(dāng)D小于5%且BITC端接低電平時，它進入關(guān)閉模式。

    ·模擬電壓模式調(diào)節(jié)。將MODE端、BITA端及BITC端連接到IN端，直流控制電壓從BITB端輸入，該電壓為140mV~0.75Vref(Vref=1.25V)。

    ·3位或2位并行控制模式。在3位并行控制時，MODE端接GND端；在2位并行控制時，MODE端接IN端，BITC端接地。

    ②關(guān)閉狀態(tài)控制。在不同的亮度控制模式下，關(guān)閉控制方式也不同；在DPWM控制時，若BITA端輸入的脈沖信號占空比小于5%（典型值），器件被關(guān)閉；在模擬電壓控制時，若BITA端及BITB端都是低電平，器件被關(guān)閉；在并行控制時，若BITA、BITB、BITC端都是低電平，器件被關(guān)閉。

    ③有關(guān)組件參數(shù)的選擇。

    ·電感器。由于振蕩器的工作頻率達1MHz，所以有可能采用低剖面高度的貼片式電感器，其電感量為10μH。所采用的電感器的飽和電流應(yīng)大于內(nèi)部開關(guān)的限制電流(0.65A)，碳性材料要滿足1MHz的頻率要求，采用有屏蔽的電感器可減少EMI的影響。

    ·輸出電容器。輸出電容器用于穩(wěn)定電路及減小輸出紋波電壓。該電容容量為4.7μF（或采用兩個2.2μF電容并聯(lián)），可采用貼片式陶瓷電容器，因為它不僅溫度穩(wěn)定性好，而且等效串聯(lián)電阻（ESR）小，有較小的紋波電壓及更高的效率。額定電壓取10V。

    ·輸入電容器。輸入電容器可減小對電源的峰值電流及減少噪聲輸入。一般此電容的容量與輸出電容的容量相等，或者小于輸出電容。此電容器應(yīng)盡量接近IN端（小于5mm）。

    若輸入電容器不采用貼片式多層陶瓷電容器，則需要另加一個0.1μF陶瓷電容以濾掉高頻噪聲。

    3、利用LDO改善白光LED的匹配度

    白光LED在各種照明設(shè)備中的應(yīng)用正在穩(wěn)步增長，如手持產(chǎn)品中的閃光燈、顯示器背光光源等。與白熾燈相比，它們提供真正的白光，消耗更低的功耗；與熒光燈相比，它們更易于使用。批量使用時，白光LED的一致性較差，但利用低成本的線性穩(wěn)壓器（LDO）可以改善其匹配度，即使在采用不同白光LED的情況下也可取得一定效果。

    選用白光LED最明顯的問題是產(chǎn)品的匹配性差。按照白光LED的典型規(guī)格，電流20mA時正向電壓的最小值為3.0V，典型值為3.5V，最大值為 4.0V。顯然，穩(wěn)壓源不是合理的解決方案。利用相同的電流驅(qū)動每只LED可以獲得均勻亮度，但成本很高。在許多應(yīng)用中只是簡單地用一個固定偏置電壓和限流電阻驅(qū)動白光LED，如圖14所示。

                    圖14  用固定偏置電壓和限流電阻驅(qū)動LED的電路

    按照圖14設(shè)計的電路通�？梢缘玫较喈�(dāng)好的亮度匹配，但對于大批量生產(chǎn)的用戶，同一批次的產(chǎn)品具有相當(dāng)一致的特征指標(biāo)，但批次之間的一致性較差。這就需要對每一批的白光LED進行測試，為其配置限流電阻。如果存在多個白光LED供貨商，問題將更加嚴(yán)重。選用了三個廠商的LED（分別用A、B、C表示）按照圖14所示電路進行測試，測試參數(shù)見表1。標(biāo)號為A的白光LED選自一級白光LED供貨商，標(biāo)號為B的白光LED選自二級白光LED供貨商，標(biāo)號為C的白光LED是從電子配套市場購買的廉價白光LED。從測試結(jié)果看，不同商標(biāo)的白光LED一致性較差，比標(biāo)準(zhǔn)平均電流偏差3.27mA。

                           表1  不同廠商白光LED的測試結(jié)果（mA）

    從表1中的平均值可以看出，不同廠商提供的白光LED的一致性較差，其中A廠商提供的白光LED的吸取電流最大（平均24.6mA），B廠商提供的白光 LED的吸取電流最�。ㄆ骄鶠�18.3mA）。不同廠商的白光LED的電流在采用相同的偏置電壓、相同的限流電阻時差別較大，均方根誤差為3.27mA。

    單獨調(diào)節(jié)每只白光LED的電流或至少對其中一只白光LED的電流進行調(diào)節(jié)，可以提高不同廠商或同一廠商不同批次白光LED的一致性，但這需要相當(dāng)昂貴的控制芯片。在對成本要求苛刻的產(chǎn)品中，可以利用低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）改善白光LED的一致性，無需選擇阻值不同的限流電阻，具體電路如圖15所示。在圖15中，LDO工作在穩(wěn)壓穩(wěn)流模式下，根據(jù)一只白光LED的正向電壓的變化自動調(diào)節(jié)偏置電壓。

                                 圖15  MAX8863的典型應(yīng)用電路

    圖15所示電路中增加了一個低成本的LDO，得到可自動調(diào)節(jié)的偏置電壓，有效地改善了不同批次、不同廠商生產(chǎn)的白光LED的匹配度。為考核圖15所示電路的性能，將上述A、B、C三種白光LED按照圖15所示電路進行了測試，測試結(jié)果如表2。從表2可以計算出，相同廠商白光LED電流的一致性略有下降，所得結(jié)果為0.77mA（圖14所得結(jié)果為0.54mA），但不同廠商的白光LED電流的一致性得到了較大改善，均方根誤差由3.27mA降低至 0.96mA。

                   表2  利用圖15所示電路測試三種不同廠商的白光LED的結(jié)果(mA)

    圖15所示電路需選擇帶有外部電壓調(diào)節(jié)引腳的LDO，如MAX8863，其反饋門限電壓為1.25V（VSET）。選用SOT-23封裝的LDO可提高系統(tǒng)的性價比，因為多數(shù)SOT-23封裝的LDO帶有關(guān)斷控制功能，從而省去了圖14所示電路中控制白光LED通斷或進行PWM亮度調(diào)節(jié)的N溝道MOSFET管。另外，LDO還具有較寬的輸入電壓范圍，當(dāng)與其他電路共用同一個5V電源時可以提供較高的電源抑制比（PSRR）。

    圖16所示電路是對圖15所示電路的改進，適合便攜式產(chǎn)品的背光光源要求。MAX8863可以驅(qū)動8只白光LED，每只白光LED的電流為15mA。當(dāng)白光LED的正向電壓較低或限流電阻的電流低于15mA時，所允許的輸入電壓更低，對不同廠商、不同批次的白光LED可提供較好的亮度匹配。

                            圖16  圖15所示電路的改進電路

4、利用工作在降壓模式的升壓變換器驅(qū)動白光LED

    用于裝飾和建筑照明的低壓鹵素照明燈具正不斷得到普及，但是由于鹵素?zé)襞輭勖�相對較短、可靠性相對較低，大功率白光LED正在成為更好的選擇。圖17所示電路提供了一種驅(qū)動大功率白光LED的解決方案，即利用工作在“降壓”模式的標(biāo)準(zhǔn)升壓變換器驅(qū)動白光LED。這種解決方案的效率高達96%，與效率只有 85%的標(biāo)準(zhǔn)方案相比，它具有很多實際優(yōu)點。

                             圖17  ZXSC310的典型應(yīng)用電路

    當(dāng)MOSFET管（Q1）導(dǎo)通時，電流從輸入端流過白光LED、并聯(lián)濾波電容器（C2）、電感（L1）、Q1及檢測電阻（R1），電流值由檢測電阻值和ZXSC310檢測電壓的閾值（通常為19mV）所決定。

    一旦電流達到所設(shè)定的相應(yīng)峰值電流，MOSFET管就關(guān)斷并保持1.7ms。在這段時間內(nèi)，儲存在電感內(nèi)的電能通過肖特基二極管轉(zhuǎn)移到白光LED中，從而保持白光LED的亮度。

    對輸入電壓和串聯(lián)白光LED的數(shù)量沒有限制。為得到更高的輸入電壓，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整C1、R2、VD1、C2和Q1的值以適應(yīng)電壓范圍。對于更大數(shù)目的白光LED，最小輸入電壓必須大于串聯(lián)白光LED的正向電壓降。

    通過采用降壓模式的升壓變換器方案，可以用一個低端N溝道MOSFET管替代典型降壓變換器中常見的高端P溝道MOSFET管。N溝道MOSFET器件的固有導(dǎo)通損耗是尺寸相同的P溝道MOSFET器件的導(dǎo)通損耗的1/3。當(dāng)然，在典型的降壓變換器電路中也可以使用N溝道MOSFET管，但需要額外的自舉電路對它進行驅(qū)動。低端開關(guān)也可以使峰值檢測電流以地為參考，這與高峰電流檢測相比，可提高精度并減小噪聲。

    通過在間斷工作模式下采用升壓方法，控制回路可工作在電流模式，為變換器提供周期性控制。這使該變換器從根本上保持穩(wěn)定，與電壓模式的降壓變換器相比，設(shè)計得以簡化。

    上述方案的另外一個特點是，因為當(dāng)電感處于充電狀態(tài)時電流流過白光LED，所以白光LED電流的峰值將減小，這樣在相同的白光LED亮度下可將峰值電流設(shè)置得更小，從而進一步改善效率、可靠性以及輸入噪聲性能。