新一代便携式设备的关键电源电路设计考虑

2 为背光用白光LED供电

背光的功耗非常高，这会影响便携式设备电池的使用寿命。显示器背光照明最常见的是采用3~6个白光LED阵列，通常这些白光LED由20mA左右的电流来驱动以实现优化的亮度和颜色。为背光用白光LED供电主要面临两个挑战：1. 如何实现各个LED间亮度一致；2. 在保持高效率的同时优化调光功能。

解决第一个设计挑战要求LED驱动器提供相同的驱动电流。通过串联这些LED可以轻松实现流经每个LED的电流相同。驱动LED有两种主要的拓扑结构，即开关电容/电荷泵和升压转换器。电荷泵采用电容器将电能传输至输出端，解决方案总体尺寸非常小。由于电荷泵必须要集成至少4个MOSFET，所以只有驱动高达200mA电流的应用才具有成本效益；当输出电压与输入电压本质上不相关时，其效率相对较低。由于电荷泵的升压能力有限，所以通常LED是并联连接，这就需要精确镜像电流以实现相同的驱动电流。电感升压转换器利用电感器将电能传输至输出端，输出电压增益可达10倍，因此它随时可以驱动6个串联LED，并实现超过85%的效率。但是，电感升压转换器需要相对较大的电感且存在电磁干扰(EMI)方面的设计挑战。



        图2：小型电感和大型电感的输出电压瞬态响应曲线。

解决第二个系统设计挑战是要提供许多便携式设备所需要的适合的调光功能。主要的调光技术有PWM调光、模拟调光和数字调光三种。

PWM调光利用一个低频数字PWM信号来反复开关白光LED驱动器，通过调整PWM信号的脉冲宽度就可以实现LED调光功能。PWM调光的主要优点在于能够高效率地提供高质量白光。在手机系统中可用一个I/O端口生成PWM信号以启动或关闭白光LED驱动器。



   图3：(a) 典型的白光LED驱动器的调光模式；(b) H桥接降压/升压转换器电路。

然而，利用200Hz~20kHz的低调光频率可能会产生听得见的噪声。为避免这种噪声，白光LED驱动器所提供的调光频率应超过听得见的噪声的频率范围。图3(a)和图4给出了典型的应用电路及其开关波形。



           图4：图3(a)电路的PWM调光开关波形。

模拟调光是对参考电压进行调节，参考电压决定了流经LED的电流。PWM信号随同低通滤波器被用来设置调光阈值。类似地，调节占空比将最终改变平均参考电压以实现调光。这种方法的一个缺点是深度调光的效率较低，这将缩短电池运行时间。该方法的另一个主要挑战是发光质量，由于LED驱动电流很低，所以LED的发光质量非常差，且发出的光也与自然界的白光不同。

最后一种调光方法是数字调光。数字调光要求专用数字接口(如I2C)和单个线路接口。通过对到达驱动器的数字信号进编程，可以根据应用需要动态调节白光LED亮度。TPS61060支持数字调光功能，可降低处理器功耗并延长电池使用寿命。

3 为硬盘驱动器和I/O供电

硬盘驱动器和许多I/O通常采用3.3V电压轨供电。由于单个锂离子电池的电压为3.0~4.2V，所以它需要降压/升压功能以充分利用可用电量，从而延长电池的使用寿命。图3(b)是H桥接降压/升压转换器电路。如何选择正确的控制方案以实现高效率呢？这种降压/升压转换器有两种基本的控制架构。

第一种控制方案是使转换器工作在传统的降压/升压模式。当Q1和Q3同时导通时，输入电压被施加到电感上，能量存储在电感中，输出电容为负载提供电源。当Q1和Q3截至，Q2和Q4导通时，电感电流流经Q2和Q4，将存储的电能供给输出端。

假设在转换开关和电感上没有功率损耗，则这种控制方案在连续导通模式下电压增益由下式得出：

其中，D为占空比。当占空比小于0.5时，转换器工作在降压模式，以使输出电压低于输入电压。当占空比大于0.5时，转换器可实现升压功能。为使输出电压等于输入电压，占空比需等于0.5。这种方案的降压模式和升压模式之间的转换非常平滑，但是传统的降压/升压运行效率较低，因为它所具有非连续的大输入和输出电流导致传导损耗、开关损耗和电感绕组损(铜损)都非常高。

第二种控制方案是使转换器工作在降压模式或者升压模式，这可以获得与降压或升压转换器类似的更高的效率。当输入电压高于输出电压时，转换器工作在降压模式，当输入电压低于输出电压时，转换器工作在升压模式。在降压模式中，Q4一直导通，Q3一直截至，Q1和Q2作为一个同步降压转换器交替导通和截至。在升压模式中，当VIN小于Vo时，Q1一直导通，Q2一直截至，Q3和Q4作为一个同步升压转换器交替导通和截至。MOSFET和电感的均方根(RMS)电流与降压或升压转换器的电流相等。这种控制方案可以实现比传统降压/升压转换器高5~10%的效率。



    图5：TPS6300在各种负载条件下的典型应用电路。

为利用最小尺寸解决方案进一步满足延长电池使用寿命的要求，这里采用集成的N通道MOSFET作为顶部的开关MOSFET。对于给定的裸片尺寸，N通道MOSFET的导通电阻比P通道MOSFET低，因此这种方案进一步减少了传导损耗。然而，驱动N通道MOSFET需要借助电荷泵电路提供高栅极驱动电压。由德州仪器(TI)开发的一项创新技术在保持总芯片尺寸小于P通道MOSFET的同时，将这些电荷泵电路集成到芯片上，从而以最小尺寸的解决方案实现最高效率。图5给出了TPS6300在各种负载条件下典型的应用电路图，其最高效率可达95%。图6为该电路在各种负载条件下的效率曲线图。



      图6：各种负载条件下的效率，最高效率可达95%。

如何为微处理器、背光LED和I/O等关键元件供电对满足严格的电压瞬态响应、实现尽可能最高的效率以充分利用电池电量而言非常关键。为这些元件供电的很重要一点是，系统设计人员充分理解设计挑站以及优化电感和环路带宽设计所要求的物理工作原理，从而选择正确的控制方案以满足系统性能要求。