LED低压驱动电源—DC/DC 升压变换器（下）
扫描二维码
随时随地手机看文章
（续上期） 2. 2 SP6648 / SP7648 芯片 LED 的正向导通压降VF典型值为3. 4V,电流为350mA.手电筒通常用2 节碱性电池，其供电电压随使用而逐渐降低，范围约为1. 8 ~ 3. 2V.为了延长电池的使用时间，必须采用电感升压型变换器，将其电压提升以后来驱动LED.SIPEX 公司的电感升压型变换器芯片SP6648 / SP7648 是一种高效DC /DC 变换器，非常适合于驱动1W 白光LED 制成的手电筒，在输入电压变化时它能调整LED 电流使之恒定，保持LED 的亮度不变。 2. 2. 1 SP6648 的特点 （1 ） 静态电流极低，仅为12μA,故其待机功耗低，效率高； （2） 在2. 6V 输入电压下，输出电压为3. 3V,输出电流为400mA,满足白光LED 的驱动要求； （3） 输入电压范围宽，电压范围为0. 95 ~ 4. 5V,可以用2 节碱性电池或1 节锂离子电池供电； （4） 输出电压为固定的3. 3V,并可以调节，效率为94% ; （5） 内部集成有同步整流器（ 即前述的开关二极管） 及开关三极管，无需外接，两者的导通电阻仅为0. 3Ω，提高效率的同时节省了PCB 空间； （6） 内部有电感阻尼开关电路，极大地降低了电感的振铃效应，既减小了噪声，又提高了效率； （7） 有"电池电压低"检测功能，检测阈值可自行设定，欠电压封锁阈值为0. 61V,即当电池电压低于0. 61V 时，电路进入欠电压封锁状态，电路不工作； （8） 芯片采用10 脚DFN 封装或工业标准的MSOP 封装； （9） 可用作照相机闪光灯LED 驱动器，也可以在无线"猫"、PDA、MP3、寻呼机、医用监视器及其它掌上（ 手持） 装置中使用。 2. 2. 2 SP6648 的引脚功能 （1）1 脚VBATT:接电池电压，如电压低于某一阈值，SP6648 进入欠电压封锁状态，关闭输出。 （2）2 脚LBI:"电池电压低"输入端。当此脚电压低于0. 61V 时，则将LBON 脚电压拉低到地，电池电压通过分压电阻接于此脚，改变电阻分压比可设定"电池电压低"的阈值。 （3）3 脚LBON:电池电压低时，此脚输出为低电平。即当LBI 低于0. 61V 时，此脚的漏极开路NMOS管导通到地，接收灌入的电流。通常此脚接指示用的发光二极管，当有电流流过该二极管使之发光时，表明电池电压太低。 （4）4 脚RLIM:接限流电阻RLIM到地，可以设定电感的峰值电流IL = 1600 /RLIM,此电阻取值范围为1kΩ（1 620mA） ~ 9 kΩ（180mA）。 （5）5 脚SHDN:低电平关断脚。正常工作时，此脚接VBATT高电平，若此脚为低电平，则片内所有线路都不工作，处于关断状态，此时，输出电压将下浮，比电池电压还低一个二极管压降，这样可以降低关断时的功耗，延长电池使用时间。 （6）6 脚FB:反馈脚。当固定输出电压为3. 3V时，此脚应接地；如要调整输出电压，可将此脚连到输出VO与地之间的电阻分压器上。 （7）7 脚GND:地。 （8）8 脚PGND:功率地。电感充电的电流由此脚流出。 （9）9 脚LX: 电感开关节点。电感一端连于此脚，另一端连于电池，电感充电电流流入此脚，经过内部的NMOS 管由PGND 流出。在其他芯片中，此脚通常称为SW 脚。 （10） 10 脚VO: 输出电压脚。当NMOS 管截止时，电感电流由此脚流出。 2. 2. 3 SP6648 / SP7648 的应用电路 用SP6648 组成的手电筒电路如图6 所示。 图6 用SP6648 组成的手电筒电路 电路的说明如下： （1） 流过LED 的电流由R2的取值确定： ILED = IO = VREF /R2 = 0. 61V /R2在图6 中的阻值（1. 8Ω） 下，LED 电流约为340mA. 减小R2可以增加亮度。由于FB 脚内部接了一个误差放大器，其基准电压VREF = 0. 61V,在电池放电完之前，IC 可以一直对LED 电流进行调节，保持其亮度恒定。 （2） 为检测电池电压，可以将电池电压通过R3、R4电阻分压加到LBI 脚。如LBI 脚电压低于0. 61V的基准电压，则LBON 脚内接的漏极开路NMOS 管导通，将LBON 脚拉低到地，使"电池电压低"告警的发光二极管点亮，此时按图6 所示阻值，电池电压大约为： VBATm = 0. 61 × （R3 + R4） /R4= 0. 61 × 143. 2 /43. 2 ≈ 2（V） 如果希望电池电压更低一些才告警，就应把R4取得大一些。 （3） 在二极管VD1支路串接电位器R5,可以通过调节R5的阻值改变FB 的电压，从而调节手电筒的亮度，为手动控制手电筒亮度提供方便。如不用调亮度，可以不接R5。 另外，LED 的亮度也可以通过在SHDN 脚上加一个PWM 信号来调节，此时，流过LED 的电流等于350mA × D（D 为PWM 信号的平均占空比）。 （4） 在输出脚VOUT接1 个1μF 的陶瓷电容有助于稳定输出。 （5） 如果在接入LED 之前先接入电池电源电压，则IC 将FB 脚拉低为0V,而SP6648 的输出固定为3. 3V;一旦插入LED,FB 又恢复为1. 25V,并开始调整。输出电压变为3. 9V 左右，即： VO = VF + 0. 61V ≈ 3. 3V + 0. 6V ≈ 3. 9（V） 如LED 开路，FB 脚也将拉低为0V,保护IC 不至损坏。 就性价比而言，用SP6648 组成手电筒电路是一种不错的选择。如果要驱动更大电流的LED 可以选用SP7648.它在3. 3V 输入下，输出电压4. 2V,输出电流为700mA,效率为92%.它的一个典型应用电路如图7 所示。 图7 SP7648 的典型应用电路 为了适应大功率驱动的需要，SP7648 芯片内未集成开关管及肖特基二极管，故需外接。有关芯片的具体使用，可查阅有关资料，此处从略。 3 用电荷泵升压变换器驱动LED 电荷泵型变换器（Charge pump） 又称开关电容变换器，它的特点是升压后电压增加得不多，只能是输入电压的几倍，适宜于驱动若干个并联的LED,无需使用电感，只需外接少量的电容器，具有成本低、尺寸小、电磁干扰相对较轻等优点。它的缺点是效率较低，不及电感升压变换器，平均效率一般不到80% 或更低；其次，为减少输出纹波，输出电流不能太大，使用上受到一定的限制；再者，由于所驱动的LED 采用并联连接，驱动IC 要用较多的引脚与之相连，受集成电路封装水平的限制，IC 引脚数不可能太多，所以一块IC 所能驱动的LED 数一般不会超过13 只以上。 例如凌特公司的LTC3220 /3220 - 1 能驱动18 只20mA 的LED,采用28 脚QFN 封装，已算是这类IC中的佼佼者了。 3. 1 开关电容变换器输出电压倍增的基本工作原理 开关电容变换器的工作过程是：首先由电容储存能量，然后按受控方式向输出释放能量，以便在输出端获得所需要的电压。电容能量的获得和释放是由开关阵列、振荡器、逻辑电路、比较器、控制电路等来实现的。暂且撇开具体的电路不谈，先用图8 的原理图来说明输出电压是如何提高的。这里受控开关S1、S2、S3、S4都包含在IC 内部，它们的动作次序和在某一状态停留的时间是由内部逻辑电路控制的；只有电容是外接的。 图8 开关电容式变换器的原理图[!--empirenews.page--] 假定电路按两相工作。在第一相，受控开关S1、S2闭合，S3、S4打开，此时输入电压对电容C1充电，其极性为左正右负，大小与输入电压相同。输出则由原来储存电荷的电容CO对LED 放电，使之发光。接着，在第二相，受控开关S1、S2打开，S3、S4闭合，输入电压与电容C1电压相叠加，如认为在开关S3、S4闭合期间电容的电压变化很小，则在输出电容CO上得到的电压将是输入电压的2 倍。将输出电压与输入电压之比称为倍增因子，则此电路的倍增因子等于2.输出电压为负载LED 提供电流IO,由能量守恒定律，输入电压为输出电压之半，所以输入端的平均电流应等于输出电流IO的2 倍。这种二倍压的情况和通常熟知的倍压整流电路将输入电压提升1 倍的情况极为相似。 一般开关信号的占空比为50% 时，电荷转移的效率最高。 3. 2 输出电压纹波之计算 如在IC 控制下，输出电压供给LED 使之发光的电流是恒定的IO,即CO以恒定电流放电，则它的输出电压将线性下降，按占空比为50% 计算，总的输出纹波电压的峰- 峰值为： ΔVO = Q /CO = T × IO /2CO = IO / （2CO fsw）（11） 可见，要减少纹波电压，必须提高开关频率fsw或增加输出电容CO值。在一定的纹波电压下，如采用较高的频率，则允许采用较小的输出电容。一般开关电容升压型变换器都用小型的X5R 或X7R 型陶瓷电容，其ESR（ 等效串联电阻） 和尺寸均较小，占用空间不大，价格比电感便宜得多，故成本较低。 像倍压整流电路一样，这种电路的输出电压VO随输出电流IO的增加而减少，如式（12） 所示。 VO = 2VIN - IO × RO（12） 式中，RO为电路的等效输出电阻，与所用的开关的串联电阻、电容C1、C0的等效串联电阻（ESR） 的大小有关。为提高其电压调整率，使输出电压不随输出电流的增加下降很多，应尽量选用ESR 小、电容量大的电容、导通电阻小的开关管，并提高开关频率。减少这些电阻，可以减小输出电阻RO的值，改善电路的输出特性。 开关电容式变换器由于省去了电感升压型变换器中的电感，故体积和成本均比较低，输入端的电磁辐射也较低，只需用小型的电容即可滤除。 3. 3 多种倍增输出的开关电容式变换器的工作原理 利用更多的受控开关和电容，改变输出电压与输入电压之比，并在供电电池使用过程中，随着电池电压的降低，自动地依次改变电路的倍增因子，使其由小到大变化，就能保证在电池电压下降时，有足够高的输出电压来驱动LED.此时，电压倍增的原理图如图9 所示。 图9 多种倍增输出的开关电容式变换器原理电路 电路的输出电压大小，即其提升电压的倍增因子（V0 /VIN） 和开关的闭合情况有关，下面给出几种电压倍增情况供参考。 （1） 如在第一相，令开关S1、S2、S3闭合，其余开关断开，输入电压对串联的电容C1、C2充电，设C1 =C2,则它们各自充电到输入电压的一半，即VC1 = VC2= VIN /2;在第二相，如S4、S5、S6、S8闭合，其余开关断开，则输入电压与并联的C1、C2相串联，对输出电容CO充电，输出电压VO= VIN + VIN /2 = 3VIN /2,为输入电压的1. 5 倍，即倍增因子为1. 5; （2） 如在第一相，开关S5、S2、S3闭合，其余开关断开，则输入电压对C2充电，VC2 = VIN;在第二相，如S6、S8闭合，其余开关断开，则输入电压与C2电压相串联，对输出电容CO充电，输出电压VO = VIN + VIN =2VIN,为输入电压的2 倍，倍增因子为2; （3） 如只让开关S7闭合，则输出电压等于输入电压，倍增因子为1; （4） 类似地，如果电路能够按三相操作，通过开关的转换，令在第一相：VIN = VC1 + VC2;在第二相：VO= VIN + VC1;在第三相：VO = VIN - VC1 + VC2.将第二相关系式代入第三相关系式得VC2 = 2VC1,代入第一相式得VC1 = VIN /3,最后得输出电压VO = VIN + VC1 =4VIN /3 = 1. 33VIN,实现输出电压为输入电压的1. 33倍，即倍增因子为1. 33. 可见，采用较多的受控开关和电容，通过IC 内部逻辑电路的控制，实现多相的操作，可以使电路的输出电压有多种倍增因子，如1、1. 33、1. 5 和2,并能根据输入电压的降低情况自动地进行切换。 锂离子电池的额定电压为3. 6 ~ 3. 7V,充满电后能达到4. 2 ~ 4. 3V,深度放电后电压可能下降到2. 7V.可见，在其使用过程中电压变化是很大的。 为了给LED 正确供电，驱动器的输出电压应当始终超过LED 的正向压降，而又不超过太多。这就要求IC 能够根据检测输入端锂离子电池的使用情况及其电压下降多少，自动改变输出电压的倍增因子。在开始电池电压高时，令倍增因子为1;而在电池消耗一段时间后、电池电压变低时，驱动器根据需要自动改变其工作模式（ 称为自适应切换） ,使输出电压依次变为输入电压的1. 33 倍、1. 5 倍和2 倍。这样，在电池的整个工作过程中，驱动器既能提供满足LED 正常工作的足够高的输出电压，又能减少在电荷泵电路和电流调节器内部所消耗的功率，从而大大提高电池的使用效率。 3. 4 不同运行模式下的效率 电路可以按照不同模式工作（ 两模式、三模式、四模式） 来提升输出电压。在两模式中，输出电压按1 倍、2 倍提升；三模式中，输出电压按1 倍、1. 5 倍、2倍提升；四模式中，输出电压按1 倍、1. 33 倍、1. 5 倍、2 倍提升。电源的效率会随输入电压的变化而不同，如图10 所示。图中横坐标的右端相当于开始使用时的电池电压（ 锂离子电池充满电的初始状态为4. 4V） ,之后随着时间的推移，电池电压逐渐降低，由右向左移动，横坐标的最左边为2. 2V,相当于电池快用完时的最低电压。在倍增模式转换之初，电压较高，内部消耗较多，故效率较低，而后随电压的降低效率逐渐提高。其中以四模式的平均效率为最高，基本上和电感升压型变换器差不多；两模式最差，位于其余两条曲线之下，最低时不足50%。 图10 不同运行模式下效率随输入电压的变化[!--empirenews.page--] 由图可见，开关电容型变换器的效率起伏很大，与其工作模式有关。即便在复杂的四模式中，其平均效率也不及电感升压型变换器。 3. 5 电荷泵升压变换器（ 开关电容变换器） 芯片举例---MAX1576 开关电容式升压变换器由于不用电感，具有尺寸小、成本低廉的优点，许多芯片公司都有相应的产品面市，如安森美公司、凌特公司、美信公司等。这里，我们以美信公司的MAX1576 为例加以介绍。它是一种驱动电流达480mA、按1 倍、1. 5 倍、2 倍三模式升压的开关电容型变换器。主要用在有照相功能的手机中驱动LED 背光源和照相闪光灯，也应用在PDA、数字照相机、手提摄像机等便携电子产品中。 3. 5. 1 MAX1576 的特点 （1） 输入电压范围为2. 7 ~ 5. 5V; （2） 可以驱动8 只LED,总输出电流最高可达480mA.一路为主显示屏（ 简称主屏） 的4 只背光照明用LED（ LED1 ~ LED4） 提供每只高达30mA 的电流，另一路为4 只闪光灯用LED（ LED5 ~ LED8） 提供每只高达100mA 的电流（ 总电流为400mA） ; （3） 对两路LED 的亮度控制是独立进行的，十分灵活：可以通过单线、串行脉冲接口分别对每路实现5% ~ 100% 的亮度调节；也可以用2 位逻辑电平信号分别实现3 级（ 不包括关断） 亮度调节，背光照明亮度按10%、30%、100% 变化，闪光灯亮度按20%、40%、100% 变化； （4） LED 的电流匹配精度高，为0. 7% ;图11 MAX1576 的内部框图及外接元件连接 （5） 输出电压具有按1 倍、1. 5 倍、2 倍倍增及自动切换的能力（ 自适应切换） ; （6）开关频率为固定的1MHz,故外接元件尺寸很小； （7） 待机电流小，关机时电流仅0. 1μA,这可以延长电池的使用寿命，效率高，平均效率达85% ; （8） 输入纹波小、电磁干扰（EMI） 轻； （9） 具有软启动功能，能限制输入的浪涌电流； （10）有输出过电压保护及热关断保护功能，工作温度范围为- 40 ~ + 85℃； （11） IC 共有24 条引脚，采用薄QFN 封装，尺寸为4mm × 4mm,最大厚度仅为0. 8mm. 3. 5. 2 MAX1576 的结构框图 MAX1576 的内部框图及典型应用中的外接元件连接方法如图11 所示。图中顶部电路为电荷泵电压倍增控制部分，下边电路是主屏和闪光灯LED 的电流调整、控制部分。 图11 MAX1576 的内部框图及外接元件连接 3. 5. 3 MAX1576 的应用电路 驱动主屏4 只背光照明用LED 及4 只闪光灯LED 的应用电路如图12 所示。 图12 用MAX1576 驱动LED 的实用电路 3. 5. 4 MAX1576 的调光控制 MAX1576 有多种调光模式，即可以分级调光，也可以均匀调节亮度。 3. 5. 4. 1 三级调光模式 在引脚ENM1、ENM2 加不同的逻辑电平（ 0 或1） 可以跳变地改变主屏背光照明LED 的电流，使其亮度分别为最大值的10%、30% 或100% ,如表1所列。 表1 ENM1、ENM2 状态对背光照明亮度的控制 表1 中电流ISETM为主屏背光照明LED 的基准电流，由引脚SETM 的外接电阻RSETM确定，ISETM=0. 604V /R SETM.实际流过主屏背光照明LED 的电流为ISETM的某一倍数。 同样，在引脚ENF1、ENF2 加不同的逻辑电平（0或1） 可以控制闪光灯LED 的电流，使其亮度按三级图13 用串行脉冲信号控制LED 电流ILED的定时图变化，分别为最大值的20%、40% 或100% ,如表2 所列。表2 中电流ISETF为闪光灯LED 的基准电流，由引脚SETF 的外接电阻RSETF确定，ISETF= 0. 604V /RSETF.实际流过闪光灯LED 的电流为ISETF的某一倍数。[!--empirenews.page--] 表2 ENF1、ENF2 状态对闪光灯亮度的控制 3. 5. 4. 2 多级调光模式 将ENM1、ENM2 或ENF1、ENF2 两条引线连在一起，通过串行输入的脉冲信号对背光灯或闪光灯实现较均匀的调光。当ENM1、ENM2（ 或ENF1、ENF2）同时变高，则背光灯（ 或闪光灯） 的LED 达到最大亮度，之后每来1 个宽度为0. 5 ~ 250μs 的低电平脉冲，LED 电流降低10% ,但第10 个脉冲后仅降低5% ,第11 个脉冲过后，LED 的电流恢复为原来100% 的ILED值。电流降低的定时图如图13 所示。 图13 用串行脉冲信号控制LED 电流ILED的定时图 3. 5. 4. 3 简单的亮灭控制。 如不需调光，则将ENM1、ENM2 （ 或ENF1、ENF2） 相连，对背光照明或闪光灯做简单的亮灭控制，此时LED 电流仅由电阻RSETM（ 或RSETF） 决定。 对ENM1、ENM2 （ 或ENF1、ENF2 ） 均加高电平，LED灯亮；均加低电平，LED 灯灭。 3. 5. 4. 4 PWM 调光。 可以用ENM2 控制通断，为1 则灯亮；为0 则灯灭。当ENM2 为1 时，在ENM1 脚加PWM 信号，改变PWM 信号的占空比，即可使其亮度由1 /10 变到满亮度。控制信号与电路之连接如图14 所示。 图14 MAX1576 的通断控制和PWM 调光 也可以用DAC（ 数模转换） 信号或RC 滤波后的PWM 信号（ 实际已变为模拟电压） 加到SETM 脚，通过改变LED 的电流进行调光，如图15 所示。这种调光的原理在电感升压式变换器中已经提到，这里不再重复。 图15 用DAC 信号或RC 滤波后的PWM 信号调光 3. 5. 5 输出电压倍增因子的自动切换 MAX1576 具有1 倍、1. 5 倍、2 倍的电压倍增及自适应的切换模式，这一功能再加上内部压差极小的电流调整器可以大大提高电池的利用效率。 当输入电压比输出电压高时，MAX1576 工作于1倍模式，输出电压等于输入电压，由内部电流调整器调节LED 的电流。当电池电压下降，VLED下降到比关断阈值低100mV 时，MAX1576 将自动切换到1. 5 倍模式； 如输入电压超过输出电压50mV 以上，MAX1576 又自动恢复为1 倍模式。当输入电压下降到小于输出电压、大于2 /3 倍的输出电压时，MAX1576 工作于1. 5 倍模式，由内部电流调整器调节LED 的电流。此后，当输入电压下降，使VLED下降到比关断阈值低100mV,则MAX1576 将自动切换到2 倍模式；如果输入电压上升到2 /3 倍的输出电压以上，MAX1576 又自动恢复为1. 5 倍模式。 在自适应切换模式下，电池的效率与LED 的电流大小有关。在不同的LED 电流下，电池的效率随其电压的变化如图16 所示。 图16 锂离子电池的效率随其电压的变化 MAX1576 具有软启动和热关断功能，在需要提高输出电流的驱动能力时，可以将LED1 ~ LED8 引脚中的2 个或多个并联不用的LED 接高电平或与引脚IN 相连。 4 结束语 以上介绍了电感升压式变换器和电荷泵升压变换器的工作原理、元件选择的依据，以及一些常用芯片的典型应用电路。这两种低压驱动电路在小尺寸LCD 产品，如手机的背光照明中得到了广泛应用。
下载文档
