介绍一款控制LED亮度的简单解决方案

0  引言

　　LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。

　　LED（Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150lm/W（2010年）。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED光效可以超过150lm/W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。

　　由于为白光LED供电的选择是选用一个恒流电源，且锂离子电池的输入电压范围低于或等于LED正向电压，因此就需要一款新型电源解决方案。本文介绍一款使用一个PWM信号来控制其亮度的简单的解决方案。与其他标准解决方案相比，该解决方案的另外一个优势就是其更高的效率。

1  任务

　　一旦为白光LED选定了电源以后，对于一个便携式系统来说，其主要的要求就是效率、整体解决方案尺寸、解决方案成本以及一项但非常重要的EMI（电磁干扰）性能。根据便携式系统的不同，对这些要求的强调程度也不尽相同。效率通常是关键的设计参数中重要或次重要的考虑因素，因此在选择电源时，要认真考虑这一因素。图1示显示了白光LED电源的基本电路。

　　该锂离子电池具有一个介于2.7V～4.2V的电压范围。该电源的主要任务是为白光LED提供一个恒定的电流和一个典型的3.5V正向电压。

2  与充电泵解决方案相比，升压转换器可实现更高的效率

　　一般来说，用于驱动白光LED的电源拓扑结构有两种：即充电泵或开关电容解决方案和升压转换器。这两款解决方案均可提供较高的输出和输入电压。二者主要的不同之处在于转换增益M=Vout/Vin，该增益将直接影响效率；而通常来说，充电泵解决方案的转换增益是固定不变的。一款固定转换增益为2的简单充电泵解决方案通常会产生比LED正向电压高很多的电压，如方程式（1）所示。其将带来仅为47%的效率，如方程式（2）所示。

　　式中Vchrgpump为充电泵IC内部产生的电压，VBat为锂离子电池的典型电池电压。充电泵需要提供一个恒定的电流以及相当于LED3.5V典型正向电压的输出电压。通常，固定转换增益为2的充电泵会在内部产生一个更高的电压（1），该电压将会导致一个降低整体系统效率的内部压降（2）。这样就可以在电池电压稍微高于LED电压时实现在90%～95%效率级别之间运行，从而充许使用增益值为1的转换增益。方程式（3）和方程式（4）显示了这一性能改进。

　　当电池电压进一步降低时，充电泵需要转换到1.5增益，从而导致效率下降至60%～70%，如示例(5)和(6)所示。

　　图2显示了充电泵解决方案在不同转换增益M条件下理论与实际效率曲线图。

　　转换增益为2的真正的倍压充电泵具有非常低的效率（低至40%），且对便携式设备没有太大的吸引力；而具有组合转换增益（增益为1.0和1.5）的充电泵则显示出了更好的效果。这样一款充电泵接下来的问题就是从增益M=1.0向M=1.5的转换点转换，这是因为发生增益转换后效率将下降至60%的范围。但是，该转换点取决于LED正向电压、LED电流、充电泵I2R损耗以及电流感应电路所需的压降。这些参数将把转换点移至更高的电池电压。因此，在具体的系统中必须要对这样一款充电泵进行精心评估，以实现高效率数值。

　　计算得出的效率数值显示了充电泵解决方案的理论值。在现实生活中，根据电流控制方法的不同会发生更多的损耗，其对效率有非常大的影响。除了I2R损耗以外，该器件中的开关损耗和静态损耗也将进一步降低该充电泵解决方案的效率。

　　通过使用一款感应升压转换器可以克服这些不足之处，该升压转换器具有一个可变转换增益M，如方程式（7）和图3所示。

　　该升压转换器占空比D可在0%和实际的85%左右之间发生变化，如图3所示。

　　可变转换增益可实现一个刚好与LED正向电压相匹配的电压，从而避免了内部压降，并实现了高达85%的效率。

3  可驱动4白光LED的标准升压转换器

　　图4中的升压转换器被配置为一个可驱动4白光LED的电流源。该器件将检测电阻器Rs两端的电压调节至1.233V，从而得到一个定义的LED电流。

　　本结构中使用的升压转换器在1.233V电流检测电阻器两端将有一个压降，而检测电阻器的功耗会降低该解决方案的效率。因此，必须降低检测和调节该LED电流的压降。

　　在图5中，一个可选齐纳二极管被添加到了电路中，用钳位控制输出电压，以防止一个LED断开连接或出现高阻抗。一个具有3.3V振幅的PWM信号被施加到该转换器的反馈电路上，同时使用了一个低通滤波器Rf和Cf，以过滤PWM信号的DC部分并在R2处建立一个模拟电压（Vadj）。对于一个20mALED电流而言，感应电压从1.233V下降到了0.98V（对于10mALED电流而言，甚至会降至0.49V）。

　　当使用一个具有3.3V振幅的PWM信号时，必须要将控制LED亮度的占空比范围从50%调整到100%，以得到一个通常会高于1.233V反馈电压的模拟电压。在50%占空比时，模拟电压将为1.65V，从而产生一个20mA、0.98V的感应电压。将占空比范围限制在70%～100%之间会进一步降低感应电压。由此得出的效率曲线如图6所示。

　　效率还取决于所选电感。在此应用中，一个尺寸为1210的小型电感可以实现高达83%的效率，从而使总体解决方案尺寸可与一个需要两个尺寸为0603的飞跨电容充电泵解决方案相媲美。

　　图7显示了LED电流作为控制LED亮度的PWM占空比的一个线性函数。

　　上述解决方案显示了用于驱动白光LED的标准升压转换器的结构以及通过限制PWM占空比范围并选择一个不同的电流控制反馈网络来提高效率的可能性。

4  专用LED驱动器减少了外部组件数量

　　图8显示了一款集成了前面所述特性的器件。直接在CTRL引脚上施加一个PWM信号就可以对LED电流进行控制。

　　电流感应电压被降至250mV，且过压保护功能被集成到一个采用小型3mm×3mmQFN封装的器件中。其效率曲线如图9和图10所示。

　　图10显示整个锂离子电池电压范围（2.7V～4.2V）内均可以实现80%以上的效率。在此应用中，使用了一个高度仅为1.2mm的电感（Sumida CMD4D11-4R7，3.5mm*5.3mm*1.2mm）。

　　从图10中的效率曲线可以看出：在大多数应用中，升压转换器可以实现比充电泵解决方案更高的效率。但是，在无线应用中使用升压转换器或充电泵时还需要考虑EMI问题。

5  对EMI加以控制

　　由于这两款解决方案均为运行在高达1MHz转换频率上的开关转换器，且可以快速的上升和下降，因此无论使用哪一种解决方案（充电泵还是升压转换器）都必须要特别谨慎。这将引起电流峰值和极快的上升，并对其他电路发生干扰。因此飞跨电容应该尽可能地靠近IC连接，且线迹要非常短以化EMI放射。必须使用一个低ESR输入电容以化高电流峰值（尤其是出现在输入端的电流峰值）。

　　如果使用的是一款升压转换器，则屏蔽电感器将拥有一个更为有限的磁场，从而实现更好的EMI性能。应对转换器的转换频率加以选择以化所有对该系统无线部分产生的干扰。PCB布局将对EMI产生重大影响，尤其要将承载开关或AC电流的线迹保持尽可能小以化EMI放射，如图11所示。

　　粗线迹应先完成布线，且必须使用一个星形接地或接地层以化噪声。输入和输出电容应为低ESR陶瓷电容以化输入和输出电压纹波。

6  结论

　　对于许多系统而言，尤其在器件拥有一个从1.0到1.5的灵活转换增益的时候，充电泵解决方案将是一个不错的解决方案。在稍微高于LED正向电压处发生从1.0到1.5的转换增益时，这样一款解决方案将实现的效率。在为每个应用选择升压转换器或充电泵解决方案时，需要充分考虑便携式系统的关键要求。如果效率是关键的要求，则升压转换器将为更适宜的解决方案。