LED節能燈

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目前市面上很多的便攜電子產品均需要背景燈LED，LED其具有以下特性：直流控制、高效率、PWM調光、過壓保護、負載斷開、小型尺寸以及簡便易用。本文將探討每種LED驅動器的特性以及實現這些特性的方法，最後將說明具備每種特性的典型電路。
　　直流控制
　　LED是由電流驅動的器件，其亮度與正向電流呈比例關係。有兩種方法可以控制正向電流。第一種方法是採用LED V-I曲線來確定產生預期正向電流所需要向LED施加的電壓。其實現方法一般採用一個電壓電源和一個鎮流電阻器。圖1說明了這種方法。如下所述，此方法有多項不足之處。LED正向電壓的任何變化都會導致LED電流的變化。如果額定正向電壓為3.6V，則圖1中LED的電流為20mA。如果電壓變為 4.0V，這是溫度或製造變化引起的特定壓變，那麼正向電流則降低到14mA。正向電壓變化11％會導致更大的正向電流變化，達30％。另外，根據可用的輸入電壓，鎮流電阻的壓降和功耗會浪費功率和降低電池使用壽命。

圖1：帶限流電阻的電壓電源導致效率降低和正向電流失調

第二種方法、也是首選的LED電流調整方法是利用恒流電源來驅動LED。恒流電源可消除正向電壓變化所導致的電流變化。因此可產生恒定的LED亮度，無論正向電流如何變化。產生恒流電源很容易。只需要調整通過電流檢測電阻器的電壓，而不用調整電源的輸出電壓。圖2說明了這種方法。電源參考電壓和電流檢測電阻器值決定了LED電流。在驅動多個LED時，只需把它們串聯就可以在每個LED中實現恒定電流。驅動並聯LED需要在每個LED串中放置一個鎮流電阻，這會導致效率降低和電流失調。

圖2：驅動LED的恒流電源

高效率
　　可擕式應用中電池使用壽命是至關重要的。LED驅動器如果實用，就必須具備高效性。LED驅動器的效率測量與典型電源的效率測量不同。典型電源效率測量的定義是輸出功率除以輸入功率。而對於LED驅動器來說，輸出功率並非相關參數。重要的是產生預期LED亮度所需要的輸入功率值。這可以簡單地通過使LED功率除以輸入功率來確定。請注意：如果這樣定義效率的話，則電流檢測電阻器中的功耗會導致電源功率耗散。通過圖3所示的公式，我們可以看出較小的電流傳感電壓會產生較高效率的LED驅動器。圖4說明了選用0.25V參考電壓的電源與選用1V參考電壓的電源相比，二者的效率提高情況。較低的電流傳感電壓電源更為有效，無論輸入電壓或LED 電流如何，只要其他條件相同，較低的參考電壓都可以提高效率並延長電池的使用壽命。

圖3：LED驅動器效率顯示了電流檢測電阻器損耗的重要性


圖4：低電流傳導電壓更有效率

PWM調光
　　許多可擕式LED應用都需要進行光度調節。在LCD背光等應用中，調光功能可提供亮度及對比度調節。我們可採用兩種調光方法：模擬與 PWM。利用模擬調光，通過向LED施加50％的最大電流可實現50％的亮度。這種方法的缺點是會出現LED顏色偏移並且需要採用類比控制信號，因此使用率一般不高。以更低忙閑度向LED施加滿電流可實現PWM調光。在50％忙閑度施加滿電流可達到50％亮度。為確保人的肉眼看不到PWM脈衝，PWM信號的頻率必須高於100Hz。最大PWM頻率取決於電源啟動與回應時間。為提供最大的靈活性以及集成簡易性，LED驅動器應能夠接受高達50kHz的PWM 頻率。
　　過壓保護
　　在恒流模式中操作電源需要採用過壓保護功能。無論負載為多少，恒流電源都可產生恒定輸出電流。如果負載電阻增大，電源的輸出電壓也必須隨之增大。這就是電源保持恒流輸出的方法。如果電源檢測到過大的負載電阻，或者負載斷開的話，輸出電壓可提高到超出IC或其他分立電路元件的額定電壓範圍。恒流 LED驅動器可採用多種過壓保護方法。其中一個方法是使齊納二極體與LED並聯。這種方法可以將輸出電壓限制到齊納擊穿電壓和電源的參考電壓。在過壓條件下，輸出電壓會提高到齊納擊穿點並開始傳導。輸出電流會通過齊納二極體，然後通過電流檢測電阻器接地。在齊納二極體限制最大輸出情況下電源可連續產生恒定的輸出電流。更佳的過壓保護方法是監控輸出電壓並在達到過壓分界點時關閉電源。如果出現故障，在過壓條件下關斷電源可降低功耗並延長電池使用壽命。
　　負載斷開
　　LED驅動電源中一個經常被忽視的功能是負載斷開。在電源失效時負載斷開功能可以把LED從電源斷開。這種功能在下列兩種情況下至關重要，即斷電和PWM調光。如圖2所示，在升壓轉換器斷電期間，負載仍然通過電感器和捕獲二極體與輸入電壓連接。由於輸入電壓仍然與LED連接，即使電源已經失效，就會繼續產生一個小電流。即使很小的洩漏電流也會在很長的空閒期間極大縮短電池壽命。負載斷開在PWM調光時也很重要。在PWM空閒期間，電源已經失效，但是輸出電容器仍然與LED連接。如果沒有負載斷開功能，輸出電容器會通過LED放電，直到PWM脈衝再次打開電源。由於電容器在每個PWM迴圈開始都部分放電，一次電源必須在每個PWM迴圈開始時給輸出電容器充電。因此會在每個PWM迴圈產生突入電流脈衝。突入電流會降低系統效率並在輸入匯流排上產生暫態電壓。而如果具有負載斷開功能，LED就會從電路斷開，這樣，在電源失效時就不會存在洩漏電流，而且在PWM調光迴圈之間輸出電容器都是充滿的。實施負載斷開電路時最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個MOSFET。在電流傳感電阻器和接地之間放置MOSFET會產生一個附加壓降，其在輸出電流設定點會把自身顯示為一個差錯。
　　簡便易用
　　簡便易用是相對而言的。在評估電路的簡便易用性時，不但必須考慮初始設計的複雜性，而且還必須要考慮在未來進行快速修改並把電路用於其他有不同輸入或輸出要求的程式時需要做的工作。總之，滯後控制器非常簡便易用。滯後控制器可消除傳統電源設計中必需的複雜頻率補償功能。雖然頻率補償對於有經驗的電源設計人員來說是小菜一碟，但是對於新手來說就不那麼輕鬆了。由於最佳的補償隨輸入和輸出條件的不同而不同，傳統的電源設計不能實現針對不同操作條件的快速修改。而滯後控制器具有內在的穩定性從而在輸出/輸出條件改變時無需改變。
小尺寸是可擕式電路的一個重要特性。電路元件的尺寸受多種因素的影響。其中一個因素是切換頻率。高切換頻率允許採用小型無源元件。用於便攜應用的現代LED驅動器應能夠以高達1MHz頻率切換。由於切換頻率並不能明顯縮小電路尺寸，而且較高的切換損耗會降低效率和縮短電池壽命，所以建議切換頻率一般不超過1MHz。把各種功能集成到控制IC是實現小型驅動解決方案的一個最重要的因素。如果上述所有功能都通過分離的元件實現的話，它們所需要的電路板空間將超出電源自身佔用的空間。把它們集成到控制IC可大大縮小整體驅動器尺寸。功能集成的第二個同樣重要優勢是可以降低解決方案總成本。如果分步執行的話，LED驅動器中所有預期功能會導致每額外個別成本增加0.60～0.70美元。而當集成到控制IC時，這些功能只會增加IC成本0.10～0.15美元。
　　實用解決方案
　　TPS61042是現代LED驅動器控制IC的絕佳例子。圖5說明TPS61042的方框圖。方框圖顯示一個高度集成的控制IC。Q1是一個低電阻集成電源FET。此部件的低電阻有助於實現極高的效率。0.25V參考電壓可降低電流傳感電阻器中的損耗。通過在高達50kHz頻率情況下向CTRL引腳施加PWM信號，此IC可以輕鬆實現PWM調光。Q2實現集成的負載斷開電路。由於已經集成，負載斷開電路可以與PWM調光頻率完美同步。過壓保護功能也已經集成到IC中。大多經驗豐富的電源設計人員都會看出省略了誤差信號放大器和相關補償電路。這種功能已經被誤差比較儀所取代。該IC利用滯後控制回饋拓撲工作，因此不需要補償並且具有內在穩定性。在方框圖中未顯示IC物理尺寸。全部電路和功能都集成到 3mm′3mm的QFN封裝中。圖6說明了一個典型LED驅動應用，其驅動4個LED，正向電流為20mA，輸入電壓範圍為1.8V～6.0V。整個電路是由控制IC、2個小陶瓷帽、1個電感器、一個二級管和1個電流傳感電阻器組成。這種緊湊、高度集成的電路說明了利用當今的LED驅動器可以實現的高水準集成。利用控制IC和6個小表面貼裝無源元件就可以實現主要電源功能和輔助功能，如：負載斷開、過壓保護、PWM調光等。

圖5：TPS61042方框圖說明了高水準積體電路