LED驱动器探讨

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如今，众多的便携电子产品均需要背景灯LED驱动器解决方案，其具有以下特性：直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用。本文将探讨每种LED驱动器的特性以及实现这些特性的方法，最后将说明具备每种特性的典型电路。
　　直流控制
　　LED是由电流驱动的器件，其亮度与正向电流呈比例关系。有两种方法可以控制正向电流。第一种方法是采用LED V-I曲线来确定产生预期正向电流所需要向LED施加的电压。其实现方法一般采用一个电压电源和一个镇流电阻器。图1说明了这种方法。如下所述，此方法有多项不足之处。LED正向电压的任何变化都会导致LED电流的变化。如果额定正向电压为3.6V，则图1中LED的电流为20mA。如果电压变为4.0V，这是温度或制造变化引起的特定压变，那么正向电流则降低到14mA。正向电压变化11％会导致更大的正向电流变化，达30％。另外，根据可用的输入电压，镇流电阻的压降和功耗会浪费功率和降低电池使用寿命。

　　 图1：带镇流电阻的电压电源导致效率降低和正向电流失配
　　第二种方法、也是首选的LED电流调整方法是利用恒流电源来驱动LED。恒流电源可消除正向电压变化所导致的电流变化。 因此可产生恒定的LED亮度，无论正向电流如何变化。产生恒流电源很容易。只需要调整通过电流检测电阻器的电压，而不用调整电源的输出电压。图2说明了这种方法。电源参考电压和电流检测电阻器值决定了LED电流。在驱动多个LED时，只需把它们串联就可以在每个LED中实现恒定电流。驱动并联LED需要在每个LED串中放置一个镇流电阻，这会导致效率降低和电流失配。

图2：驱动LED的恒流电源
　　高效率
　　便携式应用中电池使用寿命是至关重要的。LED驱动器如果实用，就必须具备高效性。LED驱动器的效率测量与典型电源的效率测量不同。典型电源效率测量的定义是输出功率除以输入功率。而对于LED驱动器来说，输出功率并非相关参数。重要的是产生预期LED亮度所需要的输入功率值。这可以简单地通过使LED功率除以输入功率来确定。请注意：如果这样定义效率的话，则电流检测电阻器中的功耗会导致电源功率耗散。通过图3所示的公式，我们可以看出较小的电流传感电压会产生较高效率的LED驱动器。图4说明了选用0.25V参考电压的电源与选用1V参考电压的电源相比，二者的效率提高情况。较低的电流传感电压电源更为有效，无论输入电压或LED电流如何，只要其他条件相同，较低的参考电压都可以提高效率并延长电池的使用寿命。

图3：LED驱动器效率显示了电流检测电阻器损耗的重要性

图4：低电流传感电压更有效
　　PWM调光
　　许多便携式LED应用都需要进行光度调节。在LCD背光等应用中，调光功能可提供亮度及对比度调节。我们可采用两种调光方法：模拟与 PWM。利用模拟调光，通过向LED施加50％的最大电流可实现50％的亮度。这种方法的缺点是会出现LED颜色偏移并且需要采用模拟控制信号，因此使用率一般不高。以更低忙闲度向LED施加满电流可实现PWM调光。在50％忙闲度施加满电流可达到50％亮度。为确保人的肉眼看不到PWM脉冲，PWM信号的频率必须高于100Hz。最大PWM频率取决于电源启动与响应时间。为提供最大的灵活性以及集成简易性，LED驱动器应能够接受高达50kHz的PWM频率。
　　过压保护
　　在恒流模式中操作电源需要采用过压保护功能。无论负载为多少，恒流电源都可产生恒定输出电流。如果负载电阻增大，电源的输出电压也必须随之增大。 这就是电源保持恒流输出的方法。如果电源检测到过大的负载电阻，或者负载断开的话，输出电压可提高到超出IC或其他分立电路元件的额定电压范围。恒流LED驱动器可采用多种过压保护方法。其中一个方法是使齐纳二极管与LED并联。这种方法可以将输出电压限制到齐纳击穿电压和电源的参考电压。在过压条件下，输出电压会提高到齐纳击穿点并开始传导。输出电流会通过齐纳二极管，然后通过电流检测电阻器接地。 在齐纳二极管限制最大输出情况下电源可连续产生恒定的输出电流。更佳的过压保护方法是监控输出电压并在达到过压分界点时关闭电源。如果出现故障，在过压条件下关断电源可降低功耗并延长电池使用寿命。
　　负载断开
　　LED驱动电源中一个经常被忽视的功能是负载断开。在电源失效时负载断开功能可以把LED从电源断开。这种功能在下列两种情况下至关重要，即断电和PWM调光。如图2所示，在升压转换器断电期间，负载仍然通过电感器和捕获二极管与输入电压连接。由于输入电压仍然与LED连接，即使电源已经失效，就会继续产生一个小电流。即使很小的泄漏电流也会在很长的空闲期间极大缩短电池寿命。负载断开在PWM调光时也很重要。在PWM空闲期间，电源已经失效，但是输出电容器仍然与LED连接。如果没有负载断开功能， 输出电容器会通过LED放电，直到PWM脉冲再次打开电源。由于电容器在每个PWM循环开始都部分放电，一次电源必须在每个PWM循环开始时给输出电容器充电。因此会在每个PWM循环产生突入电流脉冲。突入电流会降低系统效率并在输入总线上产生瞬时电压。而如果具有负载断开功能，LED就会从电路断开，这样，在电源失效时就不会存在泄漏电流，而且在PWM调光循环之间输出电容器都是充满的。实施负载断开电路时最好在LED和电流传感电阻器之间放置一个MOSFET。在电流传感电阻器和接地之间放置MOSFET会产生一个附加压降，其在输出电流设定点会把自身显示为一个差错。
　　简便易用
　　简便易用是相对而言的。在评估电路的简便易用性时，不但必须考虑初始设计的复杂性，而且还必须要考虑在未来进行快速修改并把电路用于其他有不同输入或输出要求的程序时需要做的工作。总之，滞后控制器非常简便易用。滞后控制器可消除传统电源设计中必需的复杂频率补偿功能。虽然频率补偿对于有经验的电源设计人员来说是小菜一碟，但是对于新手来说就不那么轻松了。由于最佳的补偿随输入和输出条件的不同而不同，传统的电源设计不能实现针对不同操作条件的快速修改。而滞后控制器具有内在的稳定性从而在输出/输出条件改变时无需改变。
　　小尺寸
　　小尺寸是便携式电路的一个重要特性。电路元件的尺寸受多种因素的影响。其中一个因素是切换频率。高切换频率允许采用小型无源元件。用于便携应用的现代LED驱动器应能够以高达1MHz频率切换。由于切换频率并不能明显缩小电路尺寸，而且较高的切换损耗会降低效率和缩短电池寿命，所以建议切换频率一般不超过1MHz。把各种功能集成到控制IC是实现小型驱动解决方案的一个最重要的因素。如果上述所有功能都通过分离的元件实现的话，它们所需要的电路板空间将超出电源自身占用的空间。把它们集成到控制IC可大大缩小整体驱动器尺寸。功能集成的第二个同样重要优势是可以降低解决方案总成本。如果分步执行的话，LED驱动器中所有预期功能会导致每额外个别成本增加0.60～0.70美元。而当集成到控制IC时，这些功能只会增加IC成本0.10～0.15美元。
　　实用解决方案
　　TPS61042是现代LED驱动器控制IC的绝佳例子。图5说明TPS61042的方框图。方框图显示一个高度集成的控制IC。Q1是一个低电阻集成电源FET。此部件的低电阻有助于实现极高的效率。0.25V参考电压可降低电流传感电阻器中的损耗。通过在高达50kHz频率情况下向CTRL引脚施加PWM信号，此IC可以轻松实现PWM调光。Q2实现集成的负载断开电路。由于已经集成，负载断开电路可以与PWM调光频率完美同步。过压保护功能也已经集成到IC中。大多经验丰富的电源设计人员都会看出省略了误差信号放大器和相关补偿电路。这种功能已经被误差比较仪所取代。该IC利用滞后控制反馈拓扑工作，因此不需要补偿并且具有内在稳定性。在方框图中未显示IC物理尺寸。全部电路和功能都集成到3mm′3mm的QFN封装中。图6说明了一个典型LED驱动应用，其驱动4个LED，正向电流为20mA，输入电压范围为1.8V～6.0V。整个电路是由控制IC、2个小陶瓷帽、1个电感器、一个二级管和1个电流传感电阻器组成。这种紧凑、高度集成的电路说明了利用当今的LED驱动器可以实现的高水平集成。利用控制IC和6个小表面贴装无源元件就可以实现主要电源功能和辅助功能，如：负载断开、过压保护、PWM调光等。

图5：TPS61042方框图说明了高水平集成

图6：典型TPS61042 LED驱动器解决方案