白光LED电源设计技术.doc

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1、白光LED电源设计技术摘要:随着彩色显示屏在便携市场（如手机、PDA以及超小型PC）中的广泛采用，对于一个单色LCD照明而言，就需要一个白色背光或侧光。与常用的CCFL（冷阴极荧光灯）背光相比，由于LED需要更低的功耗和更小的空间，所以其看起来是背光应用不错的选择。白光LED的典型正向电压介于3V～5V之间。由于为白光LED供电的最佳选择是选用一个恒流电源，且锂离子电池的输入电压范围低于或等于LED正向电压，因此就需要一款新型电源解决方案。　　主要的电源要求包括高效率、小型的解决方案尺寸以及调节LED亮度的可能性。对于具有无线功能的便携式系统而言，可接受的EMI性能成为我们关注的另

2、一个焦点。当高效率为我们选择电源最为关心的标准时，升压转换器就是一款颇具吸引力的解决方案，而其他常见的解决方案是采用充电泵转换器。在本文中，我们分别对用于驱动白光LED的两款解决方案作了讨论，并探讨了他们与主要电源要求的关系。另外一个很重要的设计考虑因素是调节LED亮度的控制方法，其亮度不但会影响整个转换器的效率，而且还有可能会出现白光LED的色度变换。下面将介绍一款使用一个PWM信号来控制其亮度的简单的解决方案。与其他标准解决方案相比，该解决方案的另外一个优势就是其更高的效率。任务　　一旦为白光LED选定了电源以后，对于一个便携式系统来说，其主要的要求就是效率、整体解决方案尺寸、

3、解决方案成本以及最后一项但非常重要的EMI（电磁干扰）性能。根据便携式系统的不同，对这些要求的强调程度也不尽相同。效率通常是关键的设计参数中最重要或次重要的考虑因素，因此在选择电源时，要认真考虑这一因素。图1示显示了白光LED电源的基本电路。　　该锂离子电池具有一个介于2.7V～4.2V的电压范围。该电源的主要任务是为白光LED提供一个恒定的电流和一个典型的3.5V正向电压。与充电泵解决方案相比，升压转换器可实现更高的效率　　一般来说，用于驱动白光LED的电源拓扑结构有两种：即充电泵或开关电容解决方案和升压转换器。这两款解决方案均可提供较高的输出和输入电压。二者主要的不同之处在于转

4、换增益M=Vout/Vin，该增益将直接影响效率；而通常来说，充电泵解决方案的转换增益是固定不变的。一款固定转换增益为2的简单充电泵解决方案通常会产生比LED正向电压高很多的电压，如方程式(1)所示。其将带来仅为47%的效率，如方程式(2)所示。4　　式中Vchrgpump为充电泵IC内部产生的电压，VBat为锂离子电池的典型电池电压。充电泵需要提供一个恒定的电流以及相当于LED3.5V典型正向电压的输出电压。通常，固定转换增益为2的充电泵会在内部产生一个更高的电压(1)，该电压将会导致一个降低整体系统效率的内部压降(2)。更为高级的充电泵解决方案通过在1.5和1转换增益之间进行转

5、换克服了这一缺点。这样就可以在电池电压稍微高于LED电压时实现在90%～95%效率级别之间运行，从而充许使用增益值为1的转换增益。方程式(3)和方程式(4)显示了这一性能改进。　　当电池电压进一步降低时，充电泵需要转换到1.5增益，从而导致效率下降至60%～70%，如示例(5)和(6)所示。　　图2显示了充电泵解决方案在不同转换增益M条件下理论与实际效率曲线图。　　转换增益为2的真正的倍压充电泵具有非常低的效率（低至40%），且对便携式设备没有太大的吸引力；而具有组合转换增益（增益为1.0和1.5）的充电泵则显示出了更好的效果。这样一款充电泵接下来的问题就是从增益M=1.0向M=1

6、.5的转换点转换，这是因为发生增益转换后效率将下降至60%的范围。当电池可在大部分时间内正常运行的地方发生效率下降（转换）时，整体效率会降低。因此，在接近3.5V的低电池电压处发生转换时就可以实现高效率。但是，该转换点取决于LED正向电压、LED电流、充电泵I2R损耗以及电流感应电路所需的压降。这些参数将把转换点移至更高的电池电压。因此，在具体的系统中必须要对这样一款充电泵进行精心评估，以实现高效率数值。　　计算得出的效率数值显示了充电泵解决方案最佳的理论值。在现实生活中，根据电流控制方法的不同会发生更多的损耗，其对效率有非常大的影响。除了I2R损耗以外，该器件中的开关损耗和静态损

7、耗也将进一步降低该充电泵解决方案的效率。　　通过使用一款感应升压转换器可以克服这些不足之处，该升压转换器具有一个可变转换增益M，如方程式(7)和图3所示。　　该升压转换器占空比D可在0%和实际的85%左右之间发生变化，如图3所示。　　可变转换增益可实现一个刚好与LED正向电压相匹配的电压，从而避免了内部压降，并实现了高达85%的效率。可驱动4白光LED的标准升压转换器　　图4中的升压转换器被配置为一个可驱动4白光LED的电流源。该器件将检测电阻器Rs两端的电压调节至1