线性匹配独立电流源和传统白光LED驱动器的实现

　　1 引言

　　随着亮度增加和价格降低，白光LED在通用照明领域的市场潜力越来越大。白光LED在通用照明产业的使用，将对国家或地区的能源策略和环保策略产生积极的影响。白光L E D 具有体积小，使用可进行平面封装，或根据使用环境或状况使用多颗或进行多种组合，并且具有发热量低，发光寿命长（ 5 万小时以上）、不易破，极具耐震与耐冲击性，可在较恶劣的情况下使用等特性。白光LED发光效率高，省电、无热幅射、不含水银等重金属，无污染及废弃物处理问题等众多优点，被视为"绿色照明光源"的明日之星，在不久的将来，将取代目前为照明市场的主流白炽灯泡及萤（日）光灯。白光LED照明产业的发展将影响到一个国家和地区的能源战略和环保战略，因此，各个国家纷纷进行将LED半导体照明产业例为国家重大发展进行支持，我国台湾地区也投入巨资进行研究和开发。国际性大公司如GE、西门子、飞利浦、西门子、惠普等都已积极投入白光LED 的研发工作。

　　代WLED需要较高的正向电压（>4.2 V）和正向电流（>20 mA），以实现手机应用必需的光度或亮度。这些电压通常高于电池电压，并需要驱动IC来提升LED电源电压。由于WLED需要大电流，因此往往是手机主要的耗电项。出于降低功耗并提高电池寿命的目的，采用更先进的WLED工艺技术，降低了生产成本，生产更廉价的WLED,只需较小电流即可实现理想的亮度。由于这类WLED的正向电流已经很小（<10 mA），因此工作时所需的正向电压也低。

　　2 TPS7510x线性匹配独立电流源

　　TPS7510x本身固有的LDO线性稳压器拓扑(图1)优于传统的同定模式、混合模式电荷泵以及电感升压型转换器拓扑。在许多应用中，TPS7510x可以替代上述设计方案。在所有可供选择的设计方案中，TPS7510x能减少或省去许多外部元件，成本明显降低。这样不仅限制了物料成本，而且降低了额外元件造成的其他制造成本。

　　减少元件数量的另一个优点是可减小解决方案的尺寸。由于TPS7510x无需外部元件，因此解决方案的整体尺寸减小到与IC大小差不多的尺寸，即1.44 mm2(WCSP封装)。TPS7510x的第3个优点是，几乎所有的输入电流(99％)都能驱动LED；电荷泵电容或升压电感不消耗电流。这种省电架构可将电池放电周期内的平均效率提高至87％。电池额定电压3.6 V时，该解决方案的效率通常大于99％。
　　而LDO拓扑的劣势在于LED的正向电压被限制在输入电压减去压降(典型值30 mV，值100 mV)。由于如今可采用多个白光LED，其正向电压通常等于或小于3 V，正向电流等于或小于移动解决方案中的LED电流(3 mA～10 mA)，因此这种限制已不再是主要弊端。线性解决方案第二个已被证实的局限是，只能用于并联LED配置。采用串联配置时标准单节锂离子电池应用则需大的正向电压。TPS7510x解决方案仅限于并联LED配置。
　　3 固定升压型电荷泵

　　在一种电源设备中，电荷泵型升压电路适于通过电源电压对升压电容器进行充电，使用电荷泵操作以对所述升压电容器的充电电压进行升压，并且使得升压电压对平滑电容器进行放电。调整器具有比较器，该比较器适于比较对应于所述升压电路的输出电压的电压与参考电压以产生比较输出信号，并且根据所述比较输出信号来跳跃时钟信号，以使得所述升压电路的输出电压接近于目标电压。当所述升压电路的输出电压处于所述目标电压和比所述目标电压小预定值的电压之间时，通过具有预定时间常数的电阻器装置来执行所述平滑电容器的放电。
　　在需要固定升压型电荷泵的应用中(图2)，输出电压提高到一个固定值且LED电流通过个别电阻调节。这种方案由于采用低成本电荷泵因而价格相对低廉，但LED电流匹配性和效率较差(在电池放电周期内平均效率为43％)。电荷泵的一个关键优势是减小LED正向电压对电源电压(通常正向电压比电源电压要稍小)的依赖程度。但是，由于电荷泵产生的电压大到足以驱动多个串联LED，效率低且成本高，因此这种解决方案仅限于并联配置。

　　TPS7510x针对上述应用提供了一个高效升压解决方案，减少了元件数量，降低了成本，但这仅限于正向电压低于电源电压的情况。
　　4 固定模式电荷泵
　　在混合模式电荷泵应用中(图3)，通过调节输出电压使流经每个LED的电流保持恒定。这些IC的LED电流源匹配良好，这是由该解决方案的拓扑决定的。但是，由于正向电压不匹配，因此实际匹配情况并非理想。这些电路的效率为中等水平(电池放电周期内的平均效率为70％)，允许正向电压大于电源电压。
　　在这些应用中TPS7510x可明显降低成本，提高效率。充电泵电路通常需连接一只或两只开关电容以及输入和输出电容才能稳定工作。如上所述，采用TPS7510x可减少元件数，减小解决方案尺寸并降低成本。相对于混合模式电荷泵解决方案而言，线性解决方案的缺点是LED正向电压(净空电压)受限。然而，在LED电压相同的情况下，混合模式电荷泵解决方案却能很好的协同工作；不论LED正向电压如何变化，TPS7510x均能匹配良好。
　　5 电感型升压转换器
　　在电感型升压转换器应用(常见的是用于驱动串联LED)中，如图4所示，流过每一串联LED的电流相等(理想的电流匹配)。对于电荷泵解决方案，允许使用正向电压大于电源电压的LED。在某些应用如翻盖式手机的背光LCD模组中，只有一个LCD驱动线，电感型升压转换器则是(有时甚至是可行)的解决方案。

　　在某些应用中，感应式交换机可产生电磁干扰(EMI)，引发新问题，此时可选用用高效、超低噪声的线性TPS7510x。还可省去电感、输出电容或反馈电阻，降低成本，性价比高。
　　6 结束语
　　随着白光LED在手机中广泛应用，驱动这些LED不再局限于单一的高电压、大电流的解决方案。器件的广泛应用也推动了解决方案的多样化。而近问世的亮度更高、效率更高的白光LED只需较小电流就能驱动，从而研发出一个采用线性电流源的新解决方案。该方案成本、元件数少、尺寸，非常适合手机应用。