白光發(fā)光二極管驅(qū)動解決方案

1、白光發(fā)光二極管驅(qū)動解決方案在為口光發(fā)光二極管選擇升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案或電荷幫浦解決方案時，首先要考量的是這 兩種解決方案在哪里些特定方而的表現(xiàn)較佳。不同的終端應(yīng)用對于發(fā)光二極管驅(qū)動器的需求 也會不同。舉例來說，對于液晶(lcd)模塊制造商而言，元件的高度可能是授重要的設(shè)計 參數(shù)；對個人數(shù)碼助理(pda)制造商而言，效率則是最重要的設(shè)計參數(shù)。圖一為使用tps60230 白光發(fā)光二極管電荷幫汕驅(qū)動器的典羽應(yīng)用vin = 2.7 v to 6.5 v丄 0.47 jif丄047廿vinvoutcud1c1-d2d3c2*d4c2d5en1en2gndisetpgnd圖一：典型白光發(fā)光二極管電荷幫浦號

2、動器tps60230 一般來說是直接由鋰電池在3v到4. 2v的范圍內(nèi)供電，也可以在個別提供20ma z 情況下驅(qū)動5個發(fā)光二極管。圖二為使用tps61062之驅(qū)動電路，這是一個典型基于升壓式 轉(zhuǎn)換器解決方案的白光發(fā)光二極管驅(qū)動器電路。c2 220 nfit r_c 1v1nswenoutiledfbgndpgnd圖二：典型口光發(fā)光二極管升壓式轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器。圖二的升壓式轉(zhuǎn)換器采用最新的ic發(fā)展技術(shù)，完全整合同步升壓式轉(zhuǎn)換器，并省略外部的 蕭基二極管，貝備最小體積以及最少外部元件等優(yōu)點。前文已經(jīng)針対圖一及圖二的解決方案 進(jìn)行最重要的設(shè)計參數(shù)之討論，同時也說明升壓式轉(zhuǎn)換器和電荷幫浦解決方案的不同之

3、處。 接下來我們則將針對電荷幫浦和升壓式轉(zhuǎn)換器白光發(fā)光二極管驅(qū)動電路的各個方面進(jìn)行比 較。電荷幫浦vs.升壓式轉(zhuǎn)換器之效率我們無法單就效率來評論電荷幫浦之良莠，因為整體效率受到與應(yīng)川場合相關(guān)之參數(shù)的 影響，這些參數(shù)包括發(fā)光二極管的順向電壓、鋰電池的放電特性及受不同電荷幫浦模式影響 之發(fā)光二極管電流。圖三為典型的電荷幫浦解決方案效率曲線；當(dāng)轉(zhuǎn)換器操作在“低壓降線 性調(diào)廿器（ldo）模式”下且增益為1、輸入電壓在4. 23. 6伏特z間時，效率可保持在75% 以上。在低壓降線性調(diào)節(jié)器模式屮，電荷幫浦之動作與低壓降線性調(diào)節(jié)器一樣，輸入電壓都 被向下調(diào)整到發(fā)光二極管的典型順向電壓3. 1v3. 5v。

4、另一個低壓降線性調(diào)節(jié)器模式的好處 是元件內(nèi)部未進(jìn)行切換，故可避免電磁干擾的問題。2.7 3.13.5 3.9 4.34.75.1 5.55.9 6.3 6.5v）一 input voltage 一 v圖三：內(nèi)部轉(zhuǎn)換器增益切換所造成的效率步階變化。然而，當(dāng)增益為1.5、驅(qū)動由低壓降線性調(diào)節(jié)器模式轉(zhuǎn)換到升壓模式吋，效率會急劇下 滑，此現(xiàn)象主要取決于驅(qū)動ic屮的內(nèi)部壓降及發(fā)光二極管順向電壓。在升壓模式屮，元件 內(nèi)部會進(jìn)行切換，并產(chǎn)牛比輸入電壓高1.5倍的內(nèi)部電壓，此內(nèi)部電壓需要調(diào)降到與發(fā)光二 極管順向電壓相同，效率也因此降低?？偨Y(jié)來說，在低壓降線性調(diào)節(jié)器模式下操作時，電荷 幫浦的效率非常的高。904

5、 j302001015led current - ma807060圖四：整合型同步升壓轉(zhuǎn)換器效率曲線圖。相對于電荷幫浦解決方案而言，如圖四所示，使用tps61062的升壓式轉(zhuǎn)換器在整個鋰電池 操作電壓的范圍中英效率均可介于75%到80%間。冇些升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案，如搭配外 部整流二極管的tps61042,甚至可以達(dá)到85%的效率。山于輸入輸出轉(zhuǎn)換比率較低，因此 當(dāng)驅(qū)動少于5個發(fā)光二極管時，效率其至還可以提高。整體來說，升壓式轉(zhuǎn)換器通常可達(dá)到 比電荷幫浦解決方案較高的效率，特別是在驅(qū)動4個及4個以上的發(fā)光二極管時。電荷幫浦vs.升壓式轉(zhuǎn)換器之解決方案體積電荷幫浦解決方案在過去向來是應(yīng)用主流，主

6、耍是因為升壓式轉(zhuǎn)換器運用了龐大的電感與外 部的蕭基二極管。市于最新的發(fā)展及高度的整合水平，升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案已達(dá)到與電荷 幫浦解決方案相近的體積。電荷幫浦驅(qū)動需要更多的接腳、更大的元件包裝以及兩個外部的 飛馳電容(flying capacitor),因此電荷幫浦解決方案的體積與升壓式轉(zhuǎn)換器相去不遠(yuǎn), 甚至更大。將升壓式轉(zhuǎn)換器的切換頻率增加到1mhz,就可以使用較小的電感和輸入輸出電 容。tps61062的內(nèi)部控制循壞被進(jìn)一步設(shè)計成在正常操作卜，電感電流不會達(dá)到切換電流 的最大限制。這讓小電感的的最大電流量只要符合電感電流峰值即可。舉例來說，在驅(qū)動4 個發(fā)光二極管時，使用一個飽和電流為200i

7、na的電感就足夠了。若沒有這個特殊的內(nèi)部循環(huán) 設(shè)計，電感飽和電流就得達(dá)到400ma,而需要更大的電感體積與鐵心。電荷幫浦vs.升壓式轉(zhuǎn)換器之元件高度當(dāng)元件高度小于lnrni吋，電感少元件相較就顯得大了。所以當(dāng)元件高度必須小于1mm ht,建 議采用電荷幫浦解決方案。電荷幫浦vs.升壓式轉(zhuǎn)換器之電磁干擾考量本節(jié)只會捉及國際電磁兼容的規(guī)范之一，而不會深入討論如何符合如ce等任一個國際電磁 兼容的規(guī)范°本節(jié)主要焦點曹重于無線系統(tǒng)中切換式轉(zhuǎn)換器元件切換時所產(chǎn)生的各種無線射 頻失真。在無線應(yīng)用屮，電磁干擾向來是主要考量，以避免發(fā)送與接收時的頻帶失真。令人 驚訝的是，在考慮電磁干擾方面-般趨勢仍

8、然傾向于釆用電荷幫浦解決方案；其原因z i nj* 能是對升壓式轉(zhuǎn)換器需要電感的恐怛o 一般而言電磁輻射較不易構(gòu)成干擾，因為在多數(shù) 的無線射頻應(yīng)用場合中射頻敏感電路周圍均會加裝遮蔽電感(shielded inductor)以及電磁屏蔽。因此，電感性升壓式轉(zhuǎn)換器造成電磁干擾最有可能的真正原因，是輸入輸出電壓濾波不足，或不適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒宀季€所造成的。不適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒宀季€和元件配置是 造成升壓式轉(zhuǎn)換器的電磁干擾和穩(wěn)定度問題的主因之丨。在由鋰電池驅(qū)動的無線系統(tǒng)屮，白光發(fā)光二極管驅(qū)動級會將切換雜訊經(jīng)由其輸入，耦合到無 線射頻系統(tǒng)中。由于含有脈波的白光發(fā)光二極管驅(qū)動器輸入電流直接連接到電池端，且由電

9、池供應(yīng)無線射頻區(qū)塊電力，因此切換雜訊會經(jīng)市電池端由口光發(fā)光二極管驅(qū)動級，耦合到無 線射頻電路的輸入，并造成嚴(yán)重的干擾。我們藉山比較升壓式轉(zhuǎn)換器和電荷幫浦解決方案的 輸入電壓漣波，來判斷在哪里一種解決方案較適合解決傳導(dǎo)性電磁干擾。川頻譜分析儀去觀察輸入端是評估的方法之一。在固定的切換頻率下操作元件，頻率頻譜可顯示出切換頻率的基波與它的諧波。圖五為使用標(biāo)準(zhǔn)1比輸入電容的升壓式轉(zhuǎn)換器tps61062之輸入端之頻譜分析儀用測結(jié)果。 圖五顯示在lmz卜的基波和它在更高切換頻率的諧波人小。為了使無線射頻區(qū)段的干擾減到 最小，基波和它諧波的頻率必須盡量提高，同時振幅必須越低越好。這是因為轉(zhuǎn)換器的切換 頻率會

10、跟發(fā)射端的載波頻率混雜，造成載波頻率出現(xiàn)旁帶（sideband）。此旁帶出現(xiàn)在傳送 端的輸出頻譜上正好是低于一個切換頻率而高于傳送頻率的地方。切換頻率越低，旁帶就越 靠近傳送頻率，也會降低傳送端的訊雜比。切換頻率越高，旁帶則越遠(yuǎn)離傳送頻率，而提高 傳送端的訊雜比。同理可證，當(dāng)轉(zhuǎn)換器切換頻率基波的振幅越低，訊號的訊雜比也就和対越 高。因此將轉(zhuǎn)換器切換頻率固定在1mhz和1mhz以上，即可適用于人部分的丿應(yīng)用場合。1ap圖五：在lmik切換頻率下升壓式轉(zhuǎn)換器z輸入端頻率頻譜。我們用示波器量測輸入電壓漣波，而非單單觀察輸入端頻率頻譜，圖六和圖七分別為升壓式 轉(zhuǎn)換器和電荷幫浦解決方案的圖形。vin 5

11、0mv/divvsw10v/div400ns/div圖六：升壓式轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)峰對峰值為32mv的輸入電壓漣波。圖六中的ch1為切換節(jié)點的波形，ch2則為輸入電壓漣波。在輸入電容為1f的情形下，輸 入電壓漣波的峰對峰值為32mv。圖七為和對應(yīng)的電荷幫浦解決方案輸入電壓漣波波形，同 樣的也是使用if的輸入電容并且驅(qū)動5個發(fā)光二極管。vin50mv/divvcfly2v/div1 us/div68mv -41 mv圖七：電荷幫浦法轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)峰對峰值為68mv的漣波在相同設(shè)定下，電荷幫浦解決方案的輸入電壓漣波是升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案的兩倍，這是因 為電荷幫油解決方案在增益為1.5時會產(chǎn)生兒乎為方波的輸入電

12、流。此外，對輸入濾波器來 說，電荷幫浦法只有輸入電容；升壓式轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器則同時貝-備有電感和輸入電容, 此濾波器效果較佳，電壓漣波也較小。對升壓式轉(zhuǎn)換器和電荷幫浦解決方案而言，若要更進(jìn)一步的減少電壓漣波，最冇效率的方法 就是增大輸入電容的值。針対非常敏感的應(yīng)用，則可以考慮外加lc輸入濾波器，用一個小 的鐵粉心粒(ferrite beads)來抗雜訊。結(jié)論無論是電荷幫浦解決方案或升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案都無法適用于所有的m用。解決方案的選擇必須山特定的應(yīng)用場合需求和關(guān)鍵的參數(shù)來決定。此外，也可看出電荷幫浦解決方案在電 磁干擾方而并不比升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案好。表一總結(jié)了在選擇電荷幫浦或刃壓式轉(zhuǎn)換器解 決方案時的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。白光發(fā)光二決策矩陣：升壓式腆器形電荷幫浦參數(shù)電荷幫浦升験器效率範(fàn)圍很廣'由劣w佳偉！1國憂解決方秦之體積佳佳元件高度<lmmvlmm （有可能»取決 於電感發(fā)光二極體驅(qū)動線 數(shù)目每®發(fā)光二極騁一