用电池容量的一半点亮白色LED

　无论将其用做指示器还是用来照明，LED的效率、可靠性和成本都是难超越的。白色LED用作照明光源就像它用LCD背景光源一样，正在迅速普及，但是由于其正向电压一般为3~5V，用一节电池驱动白色LED显然存在种种困难。本设计利用单栅施密特倒相器，例如Texas Instruments 公司(www.ti.com)的SN74AUC1G14或者Fairchild 公司(www.fairchildsemi.com)的NC7SP14 的超低工作电压性能(图1)。当首先加上电池电源时，肖特基二极管D₁导通，大家熟悉的施密特触发器非稳态多频振荡器开始振荡，振荡频率取决于定时元件C₂和R₁。当IC₁的输出变为高电位时，晶体管Q₁导通，电感器L₁中的电流开始逐渐增大。 电感器电流的最大电平，即峰值电平为I_L(PEAK)=(V_BATT-V_CE(SAT))×t_ON/L₁，式中V_BATT为所加的电池电压，V_CE(SAT)为Q₁的饱和电压，而t_ON为施密特触发器输出高电平脉冲的持续时间。如果Q₁的饱和电压譬如说低于50 mV，则可以忽略V_CE(SAT)并将公式简化为I_L(PEAK)=V_BATT×t_ON/L₁。
　　在t_ON结束时，倒相器输出变为低电位，Q₁截止，电感器L₁两端的电压极性反转。由此产生的"逆转"电压立即使Q₁的集电极电压升高到超过V_BATT，并使串联的LED和D₂正向偏置。这一动作使LED因有等于I_L(PEAK)的最大正向电流流过而发光，并将IC₁的供电电压VBOOT升高到比V_BATT还大的一个二极管压降。此时D₁是反向偏置的，而且反向偏置的时间与电路保持振荡的时间相同。由此产生的IC₁的"自举"电源电压确保非稳态多频振荡器即使在V_BATT降低到很低电平时仍能够继续工作。C₂的电容值和R₁的阻值应选择得能产生几微秒的时间常数，从而允许电感器L₁的电感值很小。例如，一个参数值分别为C₂=68 pF，R₁=39 kΩ和L₁=47μH的测试电路在V_BATT=1V时产生约为150 kHz的工作频率。由此得到的t_ON=3μs这一参数值可导致约为65 mA的峰值电感器电流，并使白色LED产生极高的亮度。即使V_BATT小至500 mV，相应的33 mA峰值电流仍可产生足够的LED发光强度。
　　为了在最低电源电压下维持高峰值电流，并因而产生足够的LED亮度，电感值应该尽可能小些。然而，L₁也不能太小，否则峰值电流在V_BATT为最大值时就可能超过LED的额定最大电流。切记电感器应该有足够大的额定电感值，以保证其在最大峰值电流值时不会饱和。开关晶体管Q₁应该具有很低的饱和电压，以便将损耗降到最低并产生尽可能最高的峰值电流。增加D₃和C₄两个元件，能使电路产生一个辅助电源电压V_AUX，供用来驱动低功耗电路，而不会对LED的亮度产生不利影响。在电池电压为1V时，该测试电路能使白色LED产生良好的发光强度，并可向辅助负载输出4.7V电压和几乎1.5 mA的电流。即使在V_BATT=500 mV时，该测试电路也可为10kΩ负载提供340 μA的电流，并维持足够大的LED亮度。要注意的是，IC₁无法从辅助电路获得供电，因为V_AUX很容易超过所建议的两类器件的最大额定电压。
　　最小启动电压主要取决于用做D₁的器件。采用高质量肖特基二极管的种种测试表明，最小加电电压只有800mV。你只要用pnp晶体管Q₂替代D₁，就可进一步降低最小启动电压电平(图1b)。这种改进使得测试电路在室温下仅需650 mV就可以启动。但要注意的是，Q₂的集电极-基极结在静态条件下变成正向偏置，从而造成其基极偏置电阻浪费电能。该电路尽管非常简单，但却能使高亮度LED产生引人入胜的效果。Lumileds公司(www.lumileds.com)生产的Luxeon系列LED能使该电路显示出其威力。在将L₁降低到10μH和V_BATT=1V的条件下，该电路能在Luxeon LXHL-PW01白色LED中产生了220 mA的峰值电流，从而产生耀眼的光强度。

图1  这一电路利用超低电池电压，可使白色LED产生耀眼的强度 (a)。经过一项改进之后，该电路可以使用更低的电池电压 (b)。