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| 【LED】?jī)?yōu)化白光LED背光應(yīng)用效率 |
| （時(shí)間:2011-9-8 10:32:52） |
白光LED通常由一個(gè)恒定直流電流源驅(qū)動(dòng)，以保持恒定的亮度。在采用單顆鋰離子電池供電的可攜式應(yīng)用中，白光LED以及電流源上的電壓降之總和可以比電池電壓高或低，這意味著白光LED某些時(shí)候需要對(duì)電池電壓進(jìn)行升壓。完成這樣應(yīng)用的最好辦法是使用升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，這種方法大大地優(yōu)化效率，但代價(jià)是成本和PCB面積增加。另外一種提升電池電壓的方法是使用電荷幫浦，也稱為開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。本文將詳細(xì)地分析這種組件的工作原理。
電荷幫浦的基本原理
電容是存儲(chǔ)電荷或電能，并按預(yù)先確定的速度和時(shí)間放電的裝置。如果一個(gè)理想的電容以理想的電壓源VG進(jìn)行充電(見(jiàn)圖1a)，將依據(jù)Dirac電流脈波函數(shù)立即存儲(chǔ)電荷(圖1b)。存儲(chǔ)的總電荷數(shù)量按以下方式計(jì)算︰ Q = CVG
實(shí)際的電容具有等效串聯(lián)阻抗(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)，兩者都不會(huì)影響到電容存儲(chǔ)電能的能力。然而，它們對(duì)開(kāi)關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器的整體轉(zhuǎn)換效率有很大的影響。實(shí)際電容充電的等效電路如圖1c所示，其中RSW是開(kāi)關(guān)的電阻。充電電流路徑具有串行電感，透過(guò)適當(dāng)?shù)慕M件布局設(shè)計(jì)可以降低這個(gè)串行電感。
一旦電路被加電，將產(chǎn)生指數(shù)特性的瞬態(tài)條件，直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)條件為止。電容的寄生效應(yīng)限制峰值充電電流，并增加電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間。因此電容的電荷累積不能立即完成，這意味著電容兩端的初始電壓變化為零。電荷幫浦就利用了這種電容特性，如圖2a所示。
電壓變換在兩個(gè)階段內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在第一個(gè)階段期間，開(kāi)關(guān)S1和S2關(guān)閉，而開(kāi)關(guān)S3和S4打開(kāi)，充電到輸入電壓:
VC1+ VC1- = VC1+ = VIN
VC1+ ─ VC1- = VOUT ─ VIN = VIN →VOUT = 2VIN
在第二個(gè)階段，開(kāi)關(guān)S3和S4關(guān)閉，而S1和S2打開(kāi)。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷航挡荒芰⒓锤淖�，輸出電壓突變到輸入電壓值的兩倍︰使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)電壓的倍壓。開(kāi)關(guān)訊號(hào)的工作周期通常為50%，這通常能產(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。以下讓我們更詳細(xì)地了解電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程以及開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器寄生效應(yīng)如何影響其工作。
圖2b中顯示了開(kāi)關(guān)電容電壓倍壓器的穩(wěn)態(tài)電流和電壓波形。根據(jù)功率守恒的原理，平均的輸入電流是輸出電流的兩倍。在第一階段，充電電流流入到C1。該充電電流的初始值決定于電容C1兩端的初始電壓、C1的ESR以及開(kāi)關(guān)的電阻。在C1充電后，充電電流呈指數(shù)級(jí)地降低。充電時(shí)間常數(shù)是開(kāi)關(guān)周期的幾倍，更小的充電時(shí)間常數(shù)將導(dǎo)致峰值電流增加。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，輸出電容C hold提供負(fù)載電流線性放電的電量，放電量等于︰
在第二階段，C1+連接到輸出，放電電流(電流大小與前面的充電電流相同)透過(guò)C1流到負(fù)載。在這個(gè)階段，輸出電容電流的變化大約為2IOUT。盡管這個(gè)電流變化應(yīng)該能產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓變化為2 Iout ESR C hold，使用低ESR的陶瓷電容使得這種變化可以忽略不計(jì)。此時(shí)，CHOLD按下面的電量線性電位充電︰如此一來(lái)，電荷幫浦的輸出電壓可以用以下的等式模仿︰
VOUT = 2VIN ─ Iout Rout
總之，因?yàn)樘沾呻娙莸偷腅SR以及高的開(kāi)關(guān)頻率，輸出漣波以及輸出電壓降取決于開(kāi)關(guān)電阻。利用更多的開(kāi)關(guān)和電容可以實(shí)現(xiàn)附加的電壓轉(zhuǎn)換。圖3展示了使用電容的這個(gè)特性的電路。同樣的，電壓轉(zhuǎn)換在兩個(gè)階段內(nèi)完成。在第一個(gè)階段，開(kāi)關(guān)S1到S3關(guān)閉，而開(kāi)關(guān)S4到S8打開(kāi)。因此C1和C2并聯(lián)，假設(shè)C1等于C2，輸出電容CHOLD提供輸出負(fù)載電流。隨著這個(gè)電容的放電，輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下，第二個(gè)階段是被激活來(lái)將輸出電壓增高到這個(gè)值以上。在第二階段，C1和C2并聯(lián)，連接在VIN和VOUT之間。開(kāi)關(guān)S4到S7關(guān)閉，而S1到S3和S8打開(kāi)。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷航挡⒉荒芡蛔儯敵鲭妷禾兊捷斎腚妷褐档?.5倍︰
電壓升壓是透過(guò)以下的模式完成︰透過(guò)關(guān)閉S8并保持S1到S7打開(kāi)，電壓轉(zhuǎn)換可以獲得1倍的增益。
脈波頻率調(diào)制(PFM)方案
圖4種介紹了一種簡(jiǎn)化的PFM調(diào)壓方案，該方案利用許多個(gè)增益。下調(diào)的輸出電壓透過(guò)PUMP/SKIP比較器與1.2V的電壓基準(zhǔn)比較。PUMP/SKIP比較器輸出電壓在啟動(dòng)時(shí)線性上升，提供軟啟動(dòng)功能。當(dāng)輸出電壓超過(guò)期望的極限，組件不會(huì)開(kāi)啟，消耗的電源電流將很小。在這種空閑狀態(tài)的期間，輸出電容提供輸出負(fù)載電流。隨著這個(gè)電容不斷放電以及輸出電壓降低到期望的輸出電壓以下，電荷幫浦被激活直到輸出電壓再次達(dá)到高于這個(gè)值。
在輕負(fù)載下，PFM調(diào)節(jié)架構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)是很明顯的。通常透過(guò)輸出電容提供負(fù)載電能。電源電流非常低，輸出電容只需要偶爾透過(guò)電荷幫浦進(jìn)行再次充電。
總之，調(diào)壓電荷幫浦在一個(gè)寬的輸入范圍內(nèi)不能維持高的效率，因?yàn)檩斎?輸出電流比根據(jù)基本的電壓轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)節(jié)，任何比輸入電壓乘以電荷幫浦增益所得的值更低的輸出電壓將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器內(nèi)額外的功耗，并且效率會(huì)成比例地降低。
轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入/輸出比例改變?cè)鲆娴哪芰υ试S在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)完成最優(yōu)秀的效率。理想的情況是，增益應(yīng)該是線性式變化。現(xiàn)實(shí)中，給予固定的電容和開(kāi)關(guān)數(shù)量，只可能達(dá)到有限的增益配置。
在圖4中，輸入電壓被調(diào)節(jié)，并被饋入到三個(gè)比較器的正向結(jié)點(diǎn)。比較器的所有反向結(jié)點(diǎn)連接到輸出電壓。根據(jù)輸入-輸出電壓比，比較器的輸出提供帶有一個(gè)3位字的增益控制電路，增益控制電路用于選擇最小的增益G，這樣就可以獲得期望的電壓轉(zhuǎn)換。然而，在白光LED應(yīng)用中，選擇正確的增益G不僅僅根據(jù)輸入和輸出電壓。
高整合度電荷幫浦雙顯LED驅(qū)動(dòng)器
以NS的LM27965電荷幫浦雙顯LED驅(qū)動(dòng)器為例，D1A-5A或D1B-D3B輸出可以連接在一起以較高的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)LED。在這樣的配置中，所有的五個(gè)并行電流輸出可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED。應(yīng)該選擇設(shè)定用于D1A-5A的LED電流，這樣可以設(shè)定每個(gè)輸出電流為期望的總LED電流的20%。例如，如果60mA是期望中的單LED驅(qū)動(dòng)電流，應(yīng)該選擇合適的RSET，這樣透過(guò)每個(gè)電流吸收端的輸入電流為12mA。可提供的二極管輸出電流、最大的二極管電壓以及電氣參數(shù)表中提供的所有其它參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的5-LED應(yīng)用電路相同。
在較高的輸入電壓條件下，LM27965工作在直通模式(Pass-Mode)，允許輸出電壓跟蹤輸入電壓。隨著輸入電壓不斷降低，Dxx管腳上的電壓也會(huì)下降(VDXX = VPOUT VLEDx)。一旦任何已激活的Dxx管腳達(dá)到接近175mV的電壓時(shí)，電壓幫浦將切換到3/2x的增益。這種切換確保不會(huì)因?yàn)樵贚ED兩端沒(méi)有足夠的電壓余量而影響到流過(guò)LED的電流。第一組和第二組輸出在每個(gè)Dxx管腳上利用了片上的LED正向電壓檢測(cè)功能以優(yōu)化電荷幫浦增益，實(shí)現(xiàn)最大的效率。由于檢測(cè)電路的特性，因此如果在正常操作期間將使用到任何一個(gè)LED組，不建議將任何DxA (D1A-D4A)或DxB (D1B-D2B)的管腳懸空。如果將DxA和/或DxB的管腳懸空，將會(huì)在整個(gè)VIN范圍內(nèi)迫使電荷幫浦進(jìn)入3/2x模式。
如果D5A未使用，建議將驅(qū)動(dòng)器管腳接地，并將通用緩存器的EN5A位設(shè)置為0以確保正確的增益轉(zhuǎn)換。使用通用緩存器，D3B驅(qū)動(dòng)器可以在工作中完全地開(kāi)或關(guān)閉。激活二極管監(jiān)測(cè)電路并禁止驅(qū)動(dòng)器。如果D3B沒(méi)有使用，建議將驅(qū)動(dòng)器管腳接地，通用緩存器的EN3B位設(shè)置為0確保正確的增益轉(zhuǎn)換。
結(jié)論
使用開(kāi)關(guān)電容比基于電感的開(kāi)關(guān)方法具有某些優(yōu)勢(shì)，其中一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)就是消除了電感以及相關(guān)的電磁設(shè)計(jì)問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器通常具有相對(duì)低的噪音和最小的輻射EMI。此外，應(yīng)用電路很簡(jiǎn)單，只需要幾個(gè)小電容。因?yàn)樵跊](méi)有電感的情況下，最后的PCB組件高度通常比同等的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器更小。
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