电池供电产品的LED控制问题

    摘要：白光LED具有使用简单、成本低的特点，其用量在最近几年呈现出稳步上升的趋势，在例携式产品中被广泛用作闪光灯、显示器背光等。本文介绍几种白光LED的驱动方案。

    关键词：白光LED 便携式产品 DC-DC转换器

1 概述

LED为电流驱动器件，光输出强度由流过二极管的电流决定。图1是由电压源和限流电阻构成的一种简单偏置电路，流过LED的电流由下式确定：IDIODE=(VCC-VF)/[RLIM+RDS(ON)]这种方式成本较低，但不同的二极管VF（正向电压）的参数一致。图2、图3表示25℃时LED的正向电压（典型值）与导通电流关系曲线。从电流指标可以看出：对于GaAsP二极管，VF可以上升到2.7V（+40%）；对于InGaN二极管，VF可以上程式到4.2V（+20%）。如果系统中需要多个LED，如蜂窝电话背板显示器采用8个LED，则按照图1的设计方案将需要多个限流电阻，占用较大的线路板面积。

    如果将Vcc增大到VF的10倍以上可以减少VF变化的影响，但耗电较大，不符合电池供电产品的需求。对于采用单片Li+电池供电的系统，Li+电池电压的变化范围为4.2～3V。如果LED的偏置电路只是简单的由Li+电池和限流电阻提供，输出亮度将会产生明显的变化。合理的方案应该是采用电流偏置电路。

2 电流偏置电路

电流偏置电路实际上是用1个电流源为LED提供偏置。如果电流源具有足够的动态范围，这种偏置方式将不受VF变化的影响。图4为电流偏置方案的原理框图。该电路将图1中的限流电阻用电流源替代。光输出强度与电源和正向电压无关，只要有足够的电源电压为电流源和LED提供偏置即可。图4中Q1为使能控制开关。

MAX1916等专用LED驱动芯片提供了一种先进的LED电流偏置电路。MAX1916在微型SOT23封装内集成了3组电流源，流过RSET的电流镜像到3个输出端，如图5所示。电路中几个相同的MOSFET具有相的栅-源电源，因此，它们的沟道电流相同，电流的大小由镜电流ISET决定。MAX1916的电流最大失配度为±5%，“镜像系数”为200A/A。也就是说，当ISET为50μA时，每个输出端的电流为10（1±0.05）mA（最大）。SET端由内部偏置在1.25V。ISET由下式决定：

ISET=(Vcc-1.25V)/RSET

IOUT=200ISET，每路电流之间偏差为±5%。输出端饱和电压：

    VOUT（SAT）=RD-S·IOUT

MAX1916的漏源电阻在整个温度范围内保证不高于50Ω,一个工作电流为2mA的GaAsP二极管保证正常工作所需要的最低电压是：VF+100mV，2.71V的输入电压能够将将GaAsP LED工作电压保护到2.7V。为了获得更低的压差和更高的输出电流，可以将MAX1916的三路输出并联构成“镜像系数”为600的电流源，如图6所示，并联后的漏源电阻为50/3=16.67Ω(最大值)。这种连接方式允许单个白光LED在3V供电时电流达到20mA以上，满足目前便携式蜂窝电话等产品的背光要求。用于设置端电流的电压源可以由带载能力较强的主电源单独提供，例如，在蜂窝电话中，VSET可以由射频（RF）电路的低噪声+2.8V电源提供。如果直接由单节Li+电池供电，MAX1916适用于驱动正向电压较低的GaAsP LED，而对于正向电压较高的InGaN白光LED则需采用其它驱动方案。因为Li+电池供电时，随着电池的放电，输入电压可能无法满足LED所要求的偏置电压。

3 电荷泵升压转换器驱动白光LED

对于正向电压在3.5～4.2V（在20mA条件下）的白光LED通常需要升压转换器，可以用电荷泵（如MAX682～MAX684）与MAX1916共同构成这种LED的驱动电路，如图7所示。MAX682～MAX684能够将2.7V的输入电压转换为5.05V输出，输出电流能够分别达到250mA、100mA、50mA。利用MAX684的关断控制引脚或MAX1916的使能控制引脚可以关闭LED。图7电路中，MAX684在关断模式下，电源电流降至22μA；RSET=43kΩ时，LED电流为22mA；

    图8是利用电荷泵构成LED电流控制电路，反馈调节电压的典型值为1.235V，Ipk=1.235/R SENSE,选用24Ω的检流电阻能够为二极管提供50mA电流。电荷泵工作时，输出电压上升至LED的开启电压，LED开始导通。白光LED的典型正向电压为3.5（1±0.1）V，加上反馈调节电压，MAX1759输出端提供的偏置电压为4.735V。该电路输出电压的纹波在40mV以内，不会导致LED输出产生明显变化，通常人眼觉察不到。另外，图8电路在关断状态下输入与输出之间没直流通路。

4 基于电感的白光LED控制器

MAX1848将升压转换器与电流控制电路集成在6引脚SOT23封装内，利用电流检测驱动3组LED，每组LED包括3个串行连接的LED，如图9所示。输入电压范围为2.6～5.5V。MAX1848利用电压反馈结构调节流过LED的电流，较小的检流电阻（5Ω）有利于节省功耗、保持较高的转换效率。模拟控制器用于控制所有LED的亮度。典型应用中：L1=33μH，CCOMP=150nF，COUT=1.0μF，RSENSE=5Ω。LED电流由控制电压确定：IOUT=VCTRL/13.33RSENSE。

    LED的亮度可以通过CTRL引脚的DAC调节或电位器分压电路调节，电压控制范围为+250mV～+5.5V，将控制引脚接地可实现关断。负载功率为800mW时电路转换效率达88%。

5 结论

MAX1916内部配置为3路可调电流源结构，可控制多种LED；直接采用单节Li+电池供电可驱动红光、绿光或黄光GaAsP LED；配合电荷泵升压转换器，MAX1916还可用于驱动白光InGaN LED。对于有更高功率要求的应用，需采用基于电感的MAX1848，外部只需要极少的元件，输出功率为800mW时转换效率达88%。