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、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。

　　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=1.5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