照明用LED驱动器解决方案分析

照明用LED驱动器解决方案分析(图)编者按：作为固态光源的发光二极管(LED)的大量涌现，使白炽灯日益落寞。在过去几年中，LED技术已经有了极大进步，在散热、封装和工艺技术方面的进步使得LED有了更高的亮度、更高的效率、更长的寿命和更低的成本。然而，在能量转换效率、热量管理和生产成本方面，LED仍然有进一步提升的空间。例如，LED效率就已经获得了极大的提高。LED的众多改进源自现在能在芯片内更好地产生光，以及有更好的方法从芯片及其封装中获得光源。同样地，20mA白光LED的售价已经大幅降低，这种LED刚推出时，批购报价为1美元。而目前有可能以不到30美分的批购价买到20mA的白光LED。LED照明应用需求分析当然，所有这些进步不仅促进了LED在不同应用中作为照明光源的使用，同时也刺激了对LED驱动器IC的需求。要了解设计和制造LED驱动器IC面临哪些障碍，就必须了解白光LED要发光需要哪些条件。白光LED必须用一个恒定电流源驱动，这样白色光点才不会变化(也就是亮度必须一致)。另外，既然白光LED是一个二极管，那么就必须克服它内部的正向压降(Vf)。Vf随着白光LED电流值的不同而不同，也会随着温度的变化而变化。一般情况下，在整个工作温度范围内，20mA白光LED的Vf在2.5V至3.9V的范围内变化。大多数应用都使用多个白光LED，而且还可能将这些LED配置成并联、串联或串并联混合形式。这意味着白光LED驱动器IC必须能够为特定配置的多个LED提供足够的电流和电压，而且这种IC所采用的电压转换拓扑必须同时满足输入电压范围和输出电压与电流的要求。LED的常见应用包括汽车和飞机仪表盘的显示和指示、交通信号灯、手机、平板显示器背光源、矿工灯、建筑和露天大型体育场照明等，而目前和未来几年内，LED市场增长的最大驱动力来自平板显示器的背光照明需求。这些显示器采用LCD屏，用于电视机、导航系统、便携式媒体播放器、数字广告牌和计算机监视器。不过，采用LED面临热量管理的技术挑战。尽管LED不像其它光源那样辐射那么多热量，但是根据输出功率的不同，一些LED也许需要合适的散热器，这样光输出才不会减少，寿命也不会缩短。例如，光输出为25lm的高亮度LED一般所消耗的功率超过1W。这意味着白光LED驱动器IC必须以高效率进行转换，这样它才能不成为热问题的主要成因。另外，在很多情况下都存在空间受限问题，LED驱动解决方案必须占板面积小，而且外形尺寸小。以手机为例，今天大多数手机都有内置数码相机，能够拍摄高分辨率照片和视频。相机性能的提高也导致对大功率白色光源的需求，相机在室内或在昏暗环境中需要使用这样的光源，白光LED已经成为相机手机的主要光源。因为白光LED拥有多种现代手机设计师所希望的特点：尺寸小、高光输出，能够提供“闪光”和对“视频”对象连续照明。目前已经专门为集成式相机照明开发了高输出功率LED。便携式产品照明解决方案尽管用大功率LED产生可见光很简单，但是如果不对已有设计进行改进，要形成高性能电源和电流控制解决方案却非常困难的。凌力尔特公司的LTC3454是一种新产品，专门用于在大电流相机照明应用中提高电源转换效率和准确度，并优化对LED电流的控制。图：基于LTC3783的大功率PWMLED驱动电路LTC3454是一种同步降压-升压型DC/DC转换器，为用单节锂离子电池输入以高达1A的电流驱动单个大功率LED而优化。该器件视VIN与LED正向电压之间关系的不同，自动在同步降压、同步升压和4开关降压-升压模式之间转换。在整个可用锂离子电池电压范围内(2.7~4.2V)可实现高于90%的PLED/PIN效率。几乎所有由电池供电的便携式产品都采用彩色有源矩阵LCD来显示用户所需的信息和数据。不过，制造商却面临着一种挑战，即需要确保用户在任何环境中都能从这样的显示器上看到信息。为了实现这个目标，制造商必须提供背光照明强度合适的彩色LCD。这种背光照明一般是由白光LED提供的。因而，产生紧凑、高效率和低噪声的LED供电解决方案需求。凌力尔特公司目前已经提供了大量白光LED驱动器IC解决方案。这些解决方案或者使用低噪声无电感器DC/DC转换器(更为常见的叫法是电荷泵)，或者使用DC/DC转换器，这两种转换器的主要差别是是否需要电感器(磁性元件)。无电感器DC/DC转换器非常适用于空间受限应用，在这种应用中，必须提供低至中等大小的负载电流。此外，这种转换器采用小型封装，需要非常少的外部组件，通常仅需要3个陶瓷电容器。大多数升压型DC/DC转换器都进行了专门设计，以便为白光LED背光照明提供高效率和恒电流驱动。LTC3208是一种无电感器、大电流、软件可配置的多显示屏LED控制器，可以驱动17个LED。该器件含有一个1A的高效率、低噪声电荷泵，为主、副、RGB、相机和辅助LED显示屏供电。LTC3208具有高达95%的效率和I2C串行接口，给用户带来的益处有更长的电池寿命、简单的2线微控制器接口等。LT3486是一种双通道、1.3A白光LED升压型转换器，具有宽调光范围，专门为用单节锂离子电池以恒定电流驱动多达16个LED(每个转换器驱动8个串联的LED)而设计。高亮度LED驱动解决方案高端电视机、工业照明应用、汽车导航显示屏和投影机的LCDTFT背光照明可能采用高亮度(HB)和超亮LED。这类LED常见的应用领域是仪表板背光照明、内部照明，以及很多轿车和卡车的刹车灯。豪华汽车制造商越来越多地利用最新的固态LED照明技术来提高未来车型的美感，用这些更轻、更小和更耐用的器件实现内部和外部照明。很明显，与用白炽灯照明相比，LED有很多优点，例如LED有望降低长期成本并具有较长的寿命。不过，以大电流驱动LED要求DC/DC转换器准确调节电流，以确保一致的光强和颜色一致性并保护LED。此外，还有一个重大挑战，即用可能低于、等于或高于负载电压的电池电压为1个或几个LED串供电。另一个引起关注的问题是以大调光比高效率地对这些LED调光，与此同时还要在低亮度和高亮度时保持这些LED的颜色特性不变。最后，一个至关重要的要求是，DC/DC驱动器要高效率工作，尤其是在驱动HBLED时更是这样，因为所有未转化成光的功率都转化成热量消耗掉了。用汽车电池驱动LED时，要求DC/DC转换器准确调节LED电流，以确保一致的光强和颜色一致性，并保护LED。此外，视LED的用途不同，DC/DC稳压器还应该为特定电源要求而优化。这里的重大挑战也是用可能低于、等于或高于负载电压的电池电压为1个或几个LED串供电。需要关注的问题也是以大调光比高效率地对LED调光，与此同时在低亮度和高亮度时保持这些LED的颜色特性不变。DC/DC驱动器要以高效率工作也是至关重要的要求，尤其是驱动HBLED时，原因与上述相同，未转化成光的功率都转化成热量浪费掉了。LTC3783是一种电流模式、多种拓扑转换器，具有恒定电流PWM调光能力，适用于驱动大功率LED串和LED组。该器件采用专有技术，具有极快的PWM负载切换速度，而且无瞬态欠压或过压问题。LTC3783能以数字方式实现3,000:1的调光比(在100Hz时)，因为TrueColorPWM调光能够保证白光和RGBLED的颜色一致性。使用模拟控制方式时，LTC3783还可实现100:1的附加调光比。这种调光能力很重要，因为人眼对环境光线的微小变化极度敏感。这个通用控制器可用作升压、降压、降压-升压、SEPIC或反激式转换器，以及用作恒流/恒压调节器。无RSENSE工作模式利用MOSFET的接通电阻，无需电流检测电阻，提高了效率。LT3475是一个双通道36V、2MHz的降压型DC/DC转换器，用作恒流LED驱动器，每通道提供高达1.5A的LED电流。采用内部检测电阻和调光控制使该器件非常适用于驱动大电流LED。LT3475可在50mA至1.5A的宽电流范围内保持高输出电流准确度，同时独特的TrueColorPWM电路可实现3,000:1的调光范围。LT3475具有4V至36V的宽输入电压范围，可调节从4节碱性/镍镉/镍氢金属电池和5V逻辑电压轨到未稳压的墙上变压器和汽车电源系统的多种电源。其开关频率可在200kHz至2MHz的范围内设置，因此允许使用纤巧的电感器和陶瓷电容器，同时还可避开一些关键频带(如AM广播频带)。LT3475可为驱动两个或4个大电流LED组成非常紧凑的解决方案。减少电路空间的微型LED驱动器(图)随着技术的进步，LED正变得更小、更亮且功效更高。为了让LED产生想要的亮度，需要由LED驱动电路提供恒定的电流。当今大多数蜂窝电话采用微型白色LED及很小的LED驱动器，从而在整个彩色LCD显示屏上产生精确和均匀一致的亮度。电池寿命主要由LCD的亮度决定，当电话处于通话状态时，LCD所耗功率大约占总功率预算的1/3。LED本身和调节电流的驱动电路都会消耗功率。在微型LED驱动器应用中，除了电池寿命之外，电路板的空间也是一个重要的考虑，从而使得LED驱动器拓扑结构的选择变得比以往任何时候更为重要。LED驱动器拓扑：空间因素在手持设备中最流行的电池是锂离子电池，电池电压的范围从满充电时的4.2V下降到放电状态的大约3.3V。在背光应用中，白光LED在电流为20mA时通常展示出大约3.4V的正向电压(VF)，但是，该电压会随着型号和温度而变化。为了避免低电池电压工作期间LED出现闪烁现象，有必要引入升压电路。两种流行的升压驱动器的架构分别是开关电容型和电感升压型驱动器。开关电容电荷泵并行地驱动LED，该电路通常需要采用4个0403型封装的1μF的陶瓷小电容，它提供了当今最为紧凑的解决方案，并且不需要电感器。图1所示为采用2.5×2.5mmQFN封装的三通道电荷泵驱动器的例子，用一个外部电阻来设置LED电流。除了三个LED之外，所有需要的元器件都可以安装在不到1平方厘米的电路板面积之内。比较而言，电感升压型LED驱动器则采用一个电感来提升电压并以串联方式驱动LED。这类驱动器的主要好处在于流经LED的电流一样，从而产生理想的亮度匹配；缺点在于线绕电感器的形状大，具体大小取决于电感值和额定电流。例如，在背光应用中，额定电流为200mA的22μH电感的高度为1~2mm，而占位面积为2×2mm~4×4mm。电感的高度越低，其表面积就越大。根据不同的LED驱动器类型，可能还需要外部肖特基二极管。假设一个封装为SOT23的驱动器采用一个外部肖特基二极管，则除了三个LED之外，总的电路板面积还约需1.5mm2。比较所需要的电路板资源可见，电路板面积节省了1/3；如果把电感升压方案替换为电荷泵方案，就可以节省更多的电路板面积。对两种拓扑的选择常常由LCDLED的配置来规定，这些LED要么采用串联方式配置，要么采取并联方式配置。具有串联LED配置的LCD仅仅需要两个与LED连接的端口，而并联LED配置的LCD所需要的端口数则多达LED的数量，还要再加一个公共接点。故对于较大面板的LCD，人们宁愿采用串联结构以将连接点的数量减到最少。图1：Catalyst三通道电荷泵LED驱动器外形图。延长电池寿命图2所示为锂离子电池电压放电的例子。此例中，780mAh的典型手机电池被用来向工作电流为20mA的LED连续供电。电池放电时间显示在水平轴上，结果得到的总的持续时间稍微超过9个小时。如果把这个电荷泵驱动器与基于电感的解决方案比较，所测得的电池寿命(取决于电感升压驱动器IC)仅仅有百分之几的微小差异。图2：锂离子电池电压放电曲线(LEDVF为3.3V)。在电池电压足以直接为LED直接供电的时候，电荷泵驱动器就工作在1x模式；当电池电压下降到与LEDVF接近的时候，驱动器自动转换到1.33x电荷泵模式，此时，输出电压在内部被提升到输入电压的1.33倍。图2所示为驱动4个VF为3.3V、工作电流为20mA的LED时的整个电池寿命期间的电池电压和电流工作曲线。在1x模式，输入电流大约为80mA，在1.33x模式增加到110mA。在1x模式，输入电流基本上等于总的LED