針對手持照明應用的電感升壓LED驅動器

現今互聯網不僅是較流行的照片和視頻分享平臺，還是重要的社交網絡。因此，在蜂窩手持電話市場中，多媒體手持電話的市場占有率正超越以語音為主的手機。這使得手持電話的尺寸越來越大，而對手機彩色顯示屏分辨率得要求也隨之更高。這一切都導致系統需從電池提取更大的功率作為顯示屏的背光照明。此外，移動手機對照明的要求和單純的顯示屏相比更高，原因在于手機已成為一種潮流產物，它可以反映出用戶的生活品味。基于這個原因，手機的燈光效果便需別出心裁，用于顯示和娛樂，但均需要消耗更多的電量。

 目前，發光二極管(LED)被廣泛應用到電池供電應用中的小型液晶顯示屏上，用以提供高質量的照明。從LED發出的白光經過偏光片到達LCD，在該處光線會被阻隔或衰減，然后傳送到RGB色彩濾光片以產生有顏色的光線。

 圖1表示一個背光LED驅動器的系統框圖，其中包含有一個電感升壓DC/DC轉換器和一個或更多的穩壓式電流井(current sink)，每一個電流井均可驅動一條帶有數個LED的燈串。此外，RGB的LED背光還需要一個以溫度為基礎的反饋控制，因此背光照明的成本比白光LED的更高。對于選擇合適的背光LED驅動器，設計人員有三個問題必需考慮，分別是可用的電路板空間大小、系統要求的功能及所需功耗。

圖 1. 背光LED驅動器

縮小電感器的尺寸

在為電池供電應用選擇合適的LED驅動器時，首先需要考慮的問題是電路板空間，即電路驅動器與外部元件需要占用的面積(圖2)。

圖 2. 電感升壓LED驅動器的PCB 布局實例

 一個典型的電感升壓LED驅動器解決方案大約占據30mm²的電路板面積。電感驅動器一般需要兩個電容器，一個在輸入端，另一個在輸出端，它們的電感值應介乎1mF~2.2mF，而尺寸則為0603及0805。除此之外，驅動器還需要一個可處理峰值電感器電流及輸出電壓的整流部份。在一個同步升壓設計中，旁路PFET會被集成到電路內。可是，這種集成設計通常會導致電路封裝的尺寸比異步解決方案的更大。同時，由于集成了高壓PFET開關或二極管的關系，導致功率轉換的效率下降約10%。相反，在一個異步拓撲中，用來旁路的部份只包含一個肖特基二極管。因此，LED驅動器中較累贅的元件便是電感器，而它也是整個解決方案中較難以完成的元件。以下我們將解釋如何將電感升壓LED驅動器中的電感器縮至較小。

 電感器是一個可將能量儲存在核心磁場的元件，它能夠將儲存起來的能量以既定速率及時間釋放。能量的存儲量越大，核心的尺寸便越大，即電感器的尺寸與其能量處理的能力成正比。

圖 3. LM3528電感升壓LED驅動器

 圖3所示為一個磁性升壓穩壓器的運作原理。當NFET開關處于關閉時(黑色箭頭)，電感器電流i_L(t)便會從較低值I_A( t = t₀)向上爬升直至t = DT_S時的較高值I_PK，當中T_S是轉換器的開關周期。在這段時間，肖特基二極管被逆向偏置而負載則由存儲在輸出電容器的能量支持。在這個階段的結尾，電感器的能量由以下公式表示：

該公式中I_PK是峰值電感器電流，它與峰值開關及二極管的電流相對應。

當t = DT_S時，NFET開關被關閉而存儲于電感器L內的能量會通過肖特基二極管釋放到輸出電容器及負載(虛線箭頭)。之后，電感器電流會于t₂ -DT_S這段時間下降到原先的數值I_A。然而，輸出電壓必須大于輸入，假如這電壓關系不成立的話，電感器的能量便不能釋放到輸出網絡中。換句話說，當NFET開關被關閉時，由于電流放電并不能同時間發生，因此通過電感器的電壓會被逆向，而逆向的磁性電壓會流到輸出電壓使其大于輸入電壓。當驅動一條10個LED的燈串時，所要求的供電電壓可以高至35V，而流經電感器的電流I_PK則為：

當中 I_L 是電感器電流的直流成份而I_L 則是交流成份或電流紋波，其公式為：

當中D 是NFET開關的占空比而f_S = 1/T_S 則為開關頻率。因此，儲存在電感器內的能量可以看成是電感器電流紋波比率(r = I_L/I)的一個函數：

圖 4.電感器能量

 如圖4所示，每一個開關周期T_S期間存儲在電感器磁場的能量會與電流紋波比率r成反比。由于電感器的尺寸與能量儲存量有關，因此r=1是一個較好的選擇，當r > 1時，電感器的能量要求比r < 1的下降得較慢。

 為了確保電感器沒有飽和，我們需要根據較低的輸入電壓V_INMIN或較高的占空比D_MAX來選擇電感器。

 在r = 1、f_S = 600kHz、I_L =300mA、D_MAX = 0.90 及 V_INMIN = 3.3V的條件下，電感值的要求為：

LM3528是一個電流模式升壓轉換器，其開關頻率為1.3MHz。假如我們將上面公式的開關頻率f_S改為1.3MHz，而其他參數不變的話，電感器的數值便為：

 由于電感器電流的交流和直流成份沒有改變，所要求的能量值E = ½ x L x I_PK²。如此，電感器的尺寸便可縮小一半。一般而言，只需增大開關頻率，便可降低應用對電感值的要求，從而將電感器的尺寸縮到較小。

 優化功耗

升壓LED驅動器的功率損耗可分別來自NFET開關、二極管、電流井及電感器，這里只針對來自電感器與開關的損耗。一般來說，電感器的功率損耗主要由線圈的電阻所引起，而它同樣是決定電感器尺寸的主要因素，其關系為：

公式中的DCR 為線圈的直流電阻。

大部份的情況下，DCR電阻均是電感器功率損耗的主要來源，因此可利用這數值作為選擇合適電感器的指標。可是，對于高頻應用來說，與頻率相關的損耗必須計算在內，這包括由核心物料所造成的損耗(磁滯損耗和渦流損耗)以及因趨膚效應和接近效應所引致的線圈渦流損耗，所有這些交流損耗成份均可以歸納到串行電阻ACR：

 從NFET開關耗散的功率同時包含傳導及開關損耗：

以上的電感器損耗及NFET開關傳導損耗均取決于電感器的電流紋波比率，而所選用的比率應可把電感器的尺寸縮至較小。可是，NFET開關的損耗與輸出電壓及開關頻率成比例。

 換句話說，在相同的輸出功率下，較高的開關頻率雖可帶來較細小的電感器，但缺點是會增加開關損耗，而減少開關損耗的其中一個方法，便是降低輸出電壓。

 為了讓讀者更清楚明白，現讓我們考慮一個具備以下規格的升壓LED驅動器：

假如不考慮上升t_RISE 和下降 t_FALL時間，當LED驅動器為一條串有10個LED的燈串供電時，NFERT的開關損耗為：

而效率便相當于：

現把同一電路的10個LED分成兩條燈串，那么功率耗散和效率便為：

從數式清晰可見效率獲得提升，同時輸出功率則維持不變。一般情況下，電感升壓LED驅動器的開關損耗會隨著輸出電壓而顯著地增加。

 LED的控制

現實中，用戶并不會無時無刻地使用手提設備的顯示屏。例如，

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• ...2011/07/05 10:36·針對手持照明應用的電感升壓LED驅動器