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LED驅動器的選擇和設計
作者:Michael Day, Texas Instruments
本文刊登於電子工程專輯 2004年7月號

介紹
今日的許多可攜式消費電子產品都有顯示螢幕,例如行動電話、呼叫器、PDA和MP3播放機,雖然螢幕的種類和大小通常是根據應用決定,但設計工程師卻必須負責為它設計電源和照明電路。包含TFT在內的絕大多數顯示器都需要背光照明,這樣使用者才能看到螢幕上的圖形和文字,白光LED是可攜式消費電子產品目前最常採用的照明裝置。這篇文章將針對如何選擇正確的白光LED驅動器,概要介紹適當的驅動器、它們的限制以及優缺點之間的取捨;文中將討論選擇白光LED驅動器時,所需評估的元件特性、提供元件的選擇標準以及實際的設計範例和佈局考量。

首先對基本原理做簡單的回顧。電流通過白光LED會使它發出可見光,由於發出的光線涵蓋整個可見光譜,所以看起來是白色,其強度正比於通過白光LED的順向電流,也就是從陽極到陰極的電流總值。工程師必須找出推動這個LED電流的最佳方法,並在各種系統層級考量間取得完美平衡,例如效率、成本和穩流誤差的容忍範圍。

恆壓與恆流的比較
驅動白光LED的主要目標是產生順向電流通過元件,這可藉由恆電壓源或恆電流源來達成。圖1是成本最低的解決方案,它將白光LED串聯一顆限流電阻,再於電路的兩端加上恆壓源。然而這種方法有其缺點,限流電阻會限制通過的電流,白光LED的非線性V-I曲線也讓這種方法的穩流能力非常差;除此之外,只要外加電壓或白光LED的順向電壓有任何變動,白光LED的電流都會改變。當額定順向電壓為3.6 V時,會有20 mA電流通過圖1的白光LED,若溫度或製程改變讓此電壓變為4.0 V (仍在正常的3 V至4 V容忍範圍內),順向電流就會下降至14 mA;換言之,順向電壓只要改變11%,順向電流就會出現30%的大幅度變動。這種白光LED電流的極端改變會影響顯示器亮度,其程度是許多應用所無法接受的。


圖1:採用限流電阻和恆壓源

比較理想的白光LED驅動方式是採用恆電流源,它能避免白光LED順向電壓改變而造成的電流變動 { 使用可控制的固定順向電流,就能提供可控制的固定顯示亮度。恆流源的產生非常簡單,控制器不需將電源供應輸出穩壓,而是如圖2所示,直接針對電流感測電阻的兩端電壓進行穩壓,此時通過白光LED的電流是由電源供應的參考電壓值和電流感測電阻值來決定。絕大多數顯示器都需要多顆白光LED,若設計人員可以很有彈性的驅動多顆白光LED,他們應將所有白光LED串聯,確保每顆白光LED的電流都相同。若要以並聯方式推動白光LED,每顆白光LED都必須串聯一顆限流電阻,避免通過它們的電流出現差異,但是這些電阻也會浪費電力,降低電路效率。
圖2:電感式恆流源

電感式驅動器和電荷泵浦驅動器的比較
所有專為驅動白光LED而設計的元件都提供固定電流,其中絕大多數是以電感或電荷泵浦為基礎的解決方案,這兩種解決方案各有其優缺點。電荷泵浦解決方案或稱為交換式電容解決方案,它會利用離散電容將電源從輸入端傳送至輸出端,整個過程不需使用任何電感,所以是相當受歡迎的解決方案。電荷泵浦電源供應的體積很小,設計也很簡單,選擇零件時通常只需根據元件規格表從中挑選正確的電容。電荷泵浦解決方案的主要缺點是它只能提供有限的輸出電壓範圍,絕大多數電荷泵浦元件的轉換比最多只能達到輸入電壓的兩倍,這表示輸出電壓不可能高於輸入電壓的兩倍,因此若想利用電荷泵浦驅動一顆以上的白光LED,就必須採用並聯驅動的方式。利用只能對輸出電壓進行穩壓的電荷泵浦驅動多顆白光LED時,必須使用限流電阻來防止電流分配不平均,這個電阻會減少電池的使用時間。

但是專為驅動白光LED而設計的新型電荷泵浦元件已開始將電流共享電路直接加入元件中,例如TPS60230電荷泵浦解決方案就能產生電壓提供給多個並聯的LED陽極,每顆白光LED的陰極則會直接連線到元件的不同接腳,元件內部電路會提供穩流功能,使得每顆白光LED的通過電流相差不到0.3%,而且不需要外接電阻。絕大多數以電荷泵浦為基礎的解決方案都能讓轉換效率達到60%至85%的可接受水準,更先進的電荷泵浦元件還提供分數轉換模式 (fractional conversion mode),它能在輸入電壓改變時自動切換到最有效率的轉換模式。

電感式解決方案的體積很小,效率很高,適合為絕大多數消費性產品提供更長的電池使用時間。本文將會證明,設計人員可以調整電感式轉換器的效率,以便在體積和效率之間取得最佳平衡。由於大多數電感式解決方案都是採用升壓轉換器 (圖2),它們最多能驅動六顆或七顆串聯的白光LED,這種做法有其優點,因為許多顯示器內建的白光LED都採用串聯模式;就算並未將白光LED內建至顯示器螢幕,大多數工程師還是會將它們串聯在一起。背光驅動器和白光LED通常會在不同的電路板上,因此必須將電源從一張電路板連接至另一張電路板;驅動五顆並聯的白光LED共需使用連接器的六隻接腳,驅動串聯在一起的五顆白光LED只需要兩隻接腳。

白光LED驅動器的特性
許多應用的螢幕需要背光調整功能,例如PDA等產品的使用者就能調整螢幕亮度,以配合周圍環境的照明情形,還有許多產品的處理器會在系統閒置一段時間後,自動降低或切斷背光電源,例如行動電話就是如此。調光功能的實作方法可分為兩種:類比和脈衝寬度調變 (PWM)。採用類比調光技術時,只需將白光LED的電流降至最大值的一半,就能讓螢幕亮度減少50%。這種方法的缺點包括LED光色會移動,而且需要類比控制訊號,但應用產品通常並未提供這類訊號。PWM調光技術會提供完整電流給白光LED,但會減少電流負載週期 (duty cycle),進而達成調光的要求,例如要將亮度減半,只需50%的負載週期提供完整電流。PWM訊號頻率通常會超過100 Hz,確保這個脈衝電流不會被眼睛察覺,PWM頻率的最大值需視電源供應的啟動和反應時間而定;為了得到最大彈性,同時讓整合更簡單,白光LED驅動器最高應能接受50 kHz的PWM頻率。調光訊號通常來自於系統處理器的GPIO接腳。

為了因應可能出現的開路故障,固定電流的白光LED驅動器需要過電壓保護功能。如同前面所述,白光LED和驅動器通常在不同的電路板,因此連接器的接腳脫落就會造成開路故障,另一個可能性則是白光LED故障成為開路;無論是那一種情形,驅動器為了提供固定電流,都會增加它的輸出電壓,此時若無保護電路,輸出電壓很快就會升高,對元件或輸出電容造成損害。保護驅動器的最簡單方法是選擇內建過電壓比較器的元件,並利用此功能來限制最大輸出電壓,例如TPS61043就具備這項功能。齊納二極體也可用來限制最大輸出電壓,然而這種做法的效率極差,因為在故障期間,會有預先設定的最大電流通過齊納二極體。

負載切斷功能是白光LED驅動器電源供應常被忽略的特色之一,電子式負載切斷功能可於電源供應關掉後,將白光LED與輸入電源之間的連線切斷,這項功能在下面兩種情形非常重要:關機和PWM調光。如同圖2所示,就算升壓轉換器的電源被切斷,負載仍會經由電感和逆向電壓保護二極體 (catch diode) 連接到輸入端。由於輸入電源仍連接至白光二極體,就算電源供應停止工作,依然會有很小的電流繼續通過。可攜式產品可能有高達95%的時間處於待命狀態,就算洩漏電流非常小,電池壽命也會大幅減少。負載切斷功能對於PWM調光也很重要,因為在PWM截止導通期間,電源供應雖然不供應電流,但輸出電容卻仍連接至LED,若沒有負載切斷功能的協助,輸出電容就會透過LED繼續放電,直到調光脈衝讓電源供應進入導通狀態。由於輸出電容在每個調光週期剛開始時都處於部份放電狀態,電源供應也必須在週期開始時對這些輸出電容進行充電,使得每個週期都會出現湧入電流尖波,這個湧入電流不但降低系統效率,還會在輸入電源線路上造成電壓暫態變動。有了負載切斷功能,LED與電路的連線就會切斷,當電源供應停止導通時就不會有洩漏電流,輸出電容也能在PWM調光週期之間保持滿電位狀態。負載切斷電路的最佳實作方式是在LED和電流感測電阻之間加入MOSFET電晶體,因為將MOSFET電晶體加在電流感測電阻和地線之間會造成額外的電壓降,此電壓還會成為輸出電流設定點的誤差電壓。

設計範例概述
瞭解各種白光LED驅動法的優缺點後,現在就能開始應用這項知識。在此範例中,我們將會設計手機螢幕的白光LED驅動器,由於它是一部多功能手機,因此電源是由輸入電壓在2.7 V至4.2 V之間的鋰離子電池供應。手機螢幕內建四顆串聯的白光LED,每顆的最大順向電流為20 mA,這種設計需要20 mA最大輸出電流和4 × 4 V = 16 V電壓。該手機規格要求螢幕亮度調整功能,讓手機閒置一段時間後,能夠逐漸降低螢幕亮度。系統處理器通常是由OMAP元件擔任,負責提供PWM調光功能所需的數位訊號。電池壽命是主要考量,因此效率應儘量提高。行動電話螢幕大約有98%的時間處於待命模式,因此需要真正的負載切斷功能,以便延長電池的使用時間。行動電話受到體積限制,需要小型的整合式解決方案,TPS61043則是滿足這些要求的最佳選擇,它是功能完全整合的電感式升壓轉換器,內建功率FET電晶體,也是專為白光LED而設計的驅動元件。TPS61043採用3 × 3釐米QFN封裝,還提供負載切斷、過電壓保護和PWM調光功能,1 MHz開關頻率讓此元件能夠使用體積最小的外部零件。

元件資料表提供數種典型的應用電路,我們將它做為這項設計的起始點,圖4就是這些線路圖之一,它似乎能提供本設計所需的功能。工程挑戰在於選擇正確的外部零件,同時完成適當的電路圖佈局。電流感測電阻是最容易挑選的零件,正確的電阻值是由元件參考電壓0.252 V除以所要求的白光LED最大電流0.02 A所決定,此處相當於12.6 Ω,接著只需選擇最接近這個值的標準電阻即可。注意電阻上的功耗只有0.02A2 × 12.6 Ω,也就是5 mW,因此選擇0402外型的電阻器以節省電路板面積。

選擇電感
選擇適當的電感不僅對確保設計符合效率要求很重要,也能配合有限的電路板面積。電感的選擇必需考慮三項參數:電感值、飽和電流和線圈阻抗 (DCR)。如同所有的交換式轉換器,選擇電感就是在效率和電路板面積間做出取捨,較大的電感值提供更小的阻抗、更高的效率和更大的飽和電流額定值。較小的電感則使用較少的電路板面積,飽和電流額定值也較小,但線圈阻抗卻比較大,因此整體效率較低。最後選擇的電阻值必然是電路板面積和效率之間取捨。

在傳統的升壓轉換器中,輸出電感和電容會決定轉換器的回授迴路是否穩定,因此被選中的電感、電容和補償網路零件都必須經過測試,確保電路能夠穩定工作。TPS61043包含先進的控制電路,無論使用多大的電感值,它都能確保電源供應穩定,因此不必考慮回授補償的問題。在這個控制拓樸中,開關頻率是由電感值、輸入電壓、輸出電壓和負載電流所決定,其計算公式如下:


公式1:TPS61043的開關頻率

其中: Io是白光LED的電流 (最大值0.02 A) Vo是輸出電壓 (最大值16 V) Vin是輸入電壓 (最小值2.7 V) Vf逆向電壓保護二極體 (catch diode) 的順向電壓降,此處假設為0.4 V Ilim是峰值開關電流 (總是0.4 A,由控制拓樸決定) Lout是電感值

既然體積是重要的設計參數,電源供應當然應使用很高的開關頻率,但由於電感式轉換器的開關損耗會受到開關頻率影響,因此頻率越高通常就代表效率越低。同樣的,較低的開關頻率可以提供較高效率;不幸的是,要如何選擇最適當的開關頻率,才能將轉換器開關損耗減至最少,這個問題目前仍沒有任何封閉型式 (closed form) 方程式可供求解。典型的設計程序是選擇一個接近最大可能頻率的頻率,設計轉換器,然後重新調整開關頻率和測量工作效率,接著不斷重複整個過程,直到他們發現效率令人滿意的設計為止。將開關頻率任意設為700 kHz,利用公式1可計算出電感值為4.8 μH,由於4.7 μH是業界標準的電感值,我們將電感的第一項參數,它的電感值,設為4.7 μH。

無論電源或負載的狀況如何,TPS61043控制拓樸都會將電感的峰值電流設為400 mA,因此我們將第二項電感參數,也就是飽和電流,設為400 mA。第三項參數是線圈阻抗,它會決定電感的體積,並且對設計的整體效率造成重大影響。muRata LQH32CN4R7是飽和電流為650 mA的4.7 μH電感,故能符合我們的第一項電感參數要求,也超出我們的第二項參數要求。這顆電感的線圈阻抗為150 mΩ,體積則只有3.2 × 2.5 × 1.55釐米。表1是這兩種電感的比較。

表1:電感的比較
  Isat (mA) 電阻 () 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


白光LED驅動器的效率測量和比較必須很小心。典型的電源供應效率量測值是由輸出功率除以輸入功率計算而得,但使用白光LED驅動器時,重要的輸出參數是白光LED的光輸出,但這個值的量測並不容易。白光LED提供的功率和電源供應的總輸出功率並不相同,用於效率計算的電壓應該是白光LED兩端的電壓,而不是電源供應的輸出電壓;計算工作效率時,電流感測電阻兩端的電壓不應包含在輸出功率內,這個電阻的功耗是由白光LED驅動器的參考電壓所決定,在其它因素都相同的情形下,白光LED驅動器的參考電壓越低,它的效率就越高。比較兩家製造商的產品效率時,先確認他們對於效率有著相同定義。

選擇輸入電容
輸入電容幫助穩定電源供應器的輸入電源阻抗,這在電池供電型系統中極為重要,因為在電源供應的開關頻率下,所有電池都會有很高的阻抗。若沒有輸入電容,交換式電源供應器以脈衝形式自輸入端汲取電流時,就會在輸入電源線路上產生很大的電壓漣波,進而衝擊到系統的其餘部份。這顆元件建議使用4.7 μF的陶瓷輸入電容,但設計人員可以使用更大的電容值,沒有任何限制。較小的電容值可以節省電路板面積和成本,但會增加輸入的漣波電壓,在不增加輸入電容之前題下,減少輸入漣波電壓的方法之一是提高驅動器的開關頻率,這可藉由減少電感值來達成;在較高的開關頻率下,電容阻抗變得較小,這能降低漣波電壓。

選擇輸出電容
交換式升壓轉換器的輸出電容會直接影響輸出漣波電壓,但輸出電壓對於白光LED驅動電路並不重要,因此這個設計可以使用低至0.1 μF的輸出電容。這麼小的輸出電容確實會造成很大的漣波電壓,它會讓白光LED出現很大的漣波電流,幸好漣波電流並不會對白光LED造成困擾,顯示器亮度是由白光LED平均電流決定,任何頻率在100 Hz以上的漣波電流都不會被眼睛察覺。假設白光LED電流波形的波峰為30 mA,波谷為10 mA (平均20 mA),那麼它所產生的顯示器亮度會和20 mA直流電流完全相同。輸出電容最好是使用陶瓷電容,而且它的電壓額定值應該高於電源供應器的工作電壓,我們的輸出電壓大約是16 V,因此可以使用16 V的電容,這是因為就算在故障情形下,輸出電壓也只會上升至19 V,而陶瓷電容都是在兩倍的額定電壓下完成預燒 (burned in),所以16 V的輸出電容仍在可接受範圍內。對於壽命極長或可靠性很高的產品,最好使用電壓額定值較高的輸出電容。

選擇逆向電壓保護二極體 (Catch Diode)
電源供應的逆向電壓保護二極體 (圖2中的D1) 很容易選擇,它需要和電感相同的峰值電流額定值,逆向電壓額定值必須大於LED兩端的電壓。順向電壓很小的蕭特基二極體可以提供最大效率。

佈局
選擇正確的元件,並為它挑選支援零件,這些都只是設計程序的一部份。電路必須正確佈局,讓它能正常工作,而且不會產生過多的系統雜訊。圖6是最後得到的白光LED驅動器線路圖以及重要的電壓和電流波形,圖7則是典型的電路板佈局。在電源供應器中,最重要的佈局約束條件就是從D1經過輸出電容到地線,再進入元件的地線接腳,然後從元件的SW接腳離開,最後再回到D1,這整個路徑所圍出來的迴路區域,這個迴路應該越短越好。C1的位置必須靠近L1,以提供波形A所示的脈衝電流,此電流從C1出發,經過L1到地線,然後再回到C1,這個實體迴路應儘量縮小。波形B是切換點 (switch node) 的電壓,它會以每秒60萬次的速度在地電位和輸出電壓之間切換,因此這個電路節點應該越短越好,減少任何可能的電磁幅射。注意波形B的電流會被分成波形C和D,這兩個路徑上的電流都非常不連續,因此路徑長度必須儘量縮短,減少電磁幅射和電路板的電壓擺動。注意輸出電容的位置很靠近電源供應,而不是靠近負載,讓輸出電容靠近電源供應後,所有開關電流將侷限在電源供應端。由於電流是從電源供應流向白光LED,波形E幾乎就是直流,負載端也不需要電容或是濾波。如果輸出電容的位置靠近白光LED,而不是電源供應電路,波形B的電流就會在兩張電路板之間流動,使得系統雜訊增加。

結論
這篇文章說明只要完成系統需求定義,正確的白光LED驅動器就更容易選擇。若想採用電感式解決方案,零件的選擇將由電源供應需求和系統需求來決定。設計人員只要瞭解每顆零件如何對系統產生影響,就能完成體積或效率最佳化的設計。如果無法在系統電路板上完成正確的電路佈局,就算是最好的系統也無法順利工作;另外,瞭解電源供應的波形對於產生可以工作的電路佈局是非常重要的。


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