LED驱动电路电源方法

发布时间:2009-03-12 22:11:22  来源:838电子    作者:小虎   更新20211025 070643

了解各种白光LED驱动法的优缺点后,现在就能开始应用这项知识。在此范例中,我们将会设计手机屏幕的白光LED驱动器,由于它是一部多功能手机,因此电源是由输入电压在2.7V至4.2V之间的锂离子电池供应。手机屏幕内建四颗串联的白光LED,每颗的最大正向电流为20mA,这种设计需要20mA最大输出电流和4×4V=16V电压。该手机规格要求屏幕亮度调整功能,让手机闲置一段时间后,能够逐渐降低屏幕亮度。系统处理器通常是由OMAP元件担任,负责提供PWM调光功能所需的数位讯号。电池寿命是主要考量,因此效率应尽量提高。行动电话屏幕大约有98%的时间处于待命模式,因此需要真正的负载切断功能,以便延长电池的使用时间。行动电话受到体积限制,需要小型的整合式解决方案,TPS61043则是满足这些要求的最佳选择,它是功能完全整合的电感式升压转换器,内建功率FET三极管,也是专为白光LED而设计的驱动元件。 TPS61043采用3×3厘米QFN封装,还提供负载切断、过电压保护和PWM调光功能,1MHz开关频率让此元件能够使用体积最小的外部零件。

元件资料表提供数种典型的应用电路,我们将它做为这项设计的起始点,图4就是这些线路图之一,它似乎能提供本设计所需的功能。工程挑战在于选择正确的外部零件,同时完成适当的电路图布局。电流感测电阻是最容易挑选的零件,正确的电阻值是由元件参考电压0.252V除以所要求的白光LED最大电流0.02A所决定,此处相当于12.6Ω,接着只需选择最接近这个值的标准电阻即可。注意电阻上的功耗只有0.02A2×12.6Ω,也就是5mW,因此选择0402外型的电阻器以节省电路板面积。

选择电感
选择适当的电感不仅对确保设计符合效率要求很重要,也能配合有限的电路板面积。电感的选择必需考虑三项参数:电感值、饱和电流和线圈阻抗(DCR)。如同所有的交换式转换器,选择电感就是在效率和电路板面积间做出取舍,较大的电感值提供更小的阻抗、更高的效率和更大的饱和电流额定值。较小的电感则使用较少的电路板面积,饱和电流额定值也较小,但线圈阻抗却比较大,因此整体效率较低。最后选择的电阻值必然是电路板面积和效率之间取舍。

在传统的升压转换器中,输出电感和电容会决定转换器的回授回路是否稳定,因此被选中的电感、电容和补偿网路零件都必须经过测试,确保电路能够稳定工作。 TPS61043包含先进的控制电路,无论使用多大的电感值,它都能确保电源供应稳定,因此不必考虑回授补偿的问题。在这个控制拓朴中,开关频率是由电感值、输入电压、输出电压和负载电流所决定,其计算公式如下:


公式1:TPS61043的开关频率

其中: Io是白光LED的电流(最大值0.02A)Vo是输出电压(最大值16V) Vin是输入电压(最小值2.7V) Vf逆向电压保护二极管(catch diode)的正向电压降,此处假设为0.4V Ilim是峰值开关电流(总是0.4A,由控制拓朴决定) Lout是电感值

既然体积是重要的设计参数,电源供应当然应使用很高的开关频率,但由于电感式转换器的开关损耗会受到开关频率影响,因此频率越高通常就代表效率越低。同样的,较低的开关频率可以提供较高效率;不幸的是,要如何选择最适当的开关频率,才能将转换器开关损耗减至最少,这个问题目前仍没有任何封闭型式(closed form)方程式可供求解。典型的设计程序是选择一个接近最大可能频率的频率,设计转换器,然后重新调整开关频率和测量工作效率,接着不断重复整个过程,直到他们发现效率令人满意的设计为止。将开关频率任意设为700kHz,利用公式1可计算出电感值为4.8μH,由于4.7μH是业界标准的电感值,我们将电感的第一项参数,它的电感值,设为4.7μH。

无论电源或负载的状况如何,TPS61043控制拓朴都会将电感的峰值电流设为400mA,因此我们将第二项电感参数,也就是饱和电流,设为400mA。第三项参数是线圈阻抗,它会决定电感的体积,并且对设计的整体效率造成重大影响。 muRata LQH32CN4R7是饱和电流为650mA的4.7μH电感,故能符合我们的第一项电感参数要求,也超出我们的第二项参数要求。这颗电感的线圈阻抗为150mΩ,体积则只有3.2×2.5×1.55厘米。表1是这两种电感的比较。

表1:电感的比较 
  

  Isat (mA) 电阻 () L (mm) W (mm) H (mm)
Murata LQH32CN4R7 650 150 3.2 2.5 1.55
Coilcraft LPO1704-472 1.1 200 6.6 5.5 1.0



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