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便携式设备LED显示屏照明设计方案

来源:    作者:     发布时间:2015-05-05 14:55:43     点击数:

引言

LED驱动已迅速成为功率转换技术日益重要的应用领域。除了要求更高效率、更低静态电流之外,LED驱动还有不少更精细的要求,如LED匹配、调光、白光平衡等等。另外还有一些基本架构问题,如LED是串联还是并联连接、是进行高端还是低端关段。某些特定的LED实现方案能够获得不同程度的效果,比如众所周知的感应式升压解决方案和电荷泵倍增器。而分数电荷泵、4开关降压-升压解决方案和多路电感解决方案则被人忽略。后者也被称为“SIMO”,即单电感多输出,未来,随着白光LED背光被更复杂的RGB同类产品所取代,预期这种技术将扮演越来越重要的角色。

LED简介及工作原理

便携式产品的发展趋势是逐渐向更多多媒体应用转变。这一趋势要求使用能够支持数百万颜色的、分辨率更高的显示屏。显示屏的传统照明方法是采用真空荧光灯管,但最近广泛采纳的是LED。LED的尺寸小得多,这对便携式产品非常有利,而且LED的功耗也更小,还远比真空荧光灯更为可靠。不过,如何保持恒定的光强度和颜色是这一照明技术面临的最大挑战。了解白光LED的工作原理有助于了解如何确保其强度和颜色一致。

由于LED是半导体器件,相比其他光源,它具有独特的特性,其中最显著的是电流和光强度之间的非线性关系。图1显示一些典型LED的这种关系。

2.jpg片状电感器

第二个显著特性是有关LED的正向压降。不同于白炽灯泡,LED并非纯粹的电阻式负载。正向压降随LED颜色而改变。一般而言,红光LED的正向电压为2.2V,绿光LED的正向电压3.1V。白光LED和蓝光LED的正向电压相同,典型值都是3.3V。

为便携式设备中这些LED提供恒定的电压和电流是一大挑战。供电电源必须能够自我调节以适应不断降低的电池电压,否则光强度会随电池电压而变化。因此,这些设备需要非常特殊的电源。

驱动器选择

保持LED电流和电压恒定的常用架构有3种。第一种是针对串联一体电感LED结构的感应式升压调节器。第二种仍是相同的感应式升压调节器,但用于并联LED结构。最后一种是电容式电荷泵。这些架构各有其优势,但对于给定的应用,仅有一种能够电感器生产提供最大的优势。

感应式升压调节器

感应式升压架构 (比如飞兆半导体的FAN5608) 的基本工作原理是利用电感的电流存储能力。电感可以阻止电流变化,正负皆然。这种阻抗能力对器件上压降的影响可以下式表示:

这一简单的公式表明了升压转换器的工作原理。晶体管导通,电流开始在电感中流过,然后晶体管关断。由于电流无法瞬间降为0,它继续流经二极管。电流逐渐减小,di/dt变为负,导致电感上的电压为负。

利用克希霍夫 (Kirchok差模电感器ff) 电压定律,可计算出输出电压。

Vin·ton+(Vin-Vout)·toff=0

上式可重新整理为

这里D代表ON占空比。由于D的范围在0到1之间,故输出电压总是比输入电压高。输出电压与占空比成正比,因此,为了产生更高的电压,必须提高占空比。FAN5608利用这种方法可使最大输出高达18V。这样一来,可驱动多达4到5个串联LED。对并联结构,FAN5608能够产生高达40mA的电流。

电容式电荷泵

电荷泵利用电容来存储能量,可以把输入电压提升到1、1.5或 2倍。通过一个开关阵列和一个时钟,电容可以交替性地进行并联充电和串联放电,从而提高输出电压。图2可以很好地解释这一原理。

1.jpg

该调节器的最大输出电压取决于电容的数量和分配给充电及放电的时间。飞兆半导体的FAN5607使用了两个电容,有1×、1.5×和2×三种模式。在2.4V 到 5.5V的输入电压范围上,该器件能够为4个白光LED的每一个提供高达30mA的电流。

LED拓扑

利用感应式升压转换器,LED能够被串联驱动或并联驱动。串联阵列可确保通过所有LED 的电流都相同,从而保证相同的光强度。这种方案的缺点是,驱动器的输出电压必需等于或超过所有LED的正向电压总和。在某些应用中,这就可能高达24V,于是需要采用击穿电压超过24V的硅工艺,这一般会增加器件的成本。其次,升压转换器的效率也随输出电压的增加而受到影响。表1所示为让4个白光LED产生相同的光量,三种不同拓扑所需功率之比较。如果对效率的要求比较高,串联拓扑共模电感并不是好的选择。 1

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