白光發(fā)光二極管驅動解決方案

1、白光發(fā)光二極管驅動解決方案在為口光發(fā)光二極管選擇升壓式轉換器解決方案或電荷幫浦解決方案時，首先要考量的是這 兩種解決方案在哪里些特定方而的表現較佳。不同的終端應用對于發(fā)光二極管驅動器的需求 也會不同。舉例來說，對于液晶(lcd)模塊制造商而言，元件的高度可能是授重要的設計 參數；對個人數碼助理(pda)制造商而言，效率則是最重要的設計參數。圖一為使用tps60230 白光發(fā)光二極管電荷幫汕驅動器的典羽應用vin = 2.7 v to 6.5 v丄 0.47 jif丄047廿vinvoutcud1c1-d2d3c2*d4c2d5en1en2gndisetpgnd圖一：典型白光發(fā)光二極管電荷幫浦號

2、動器tps60230 一般來說是直接由鋰電池在3v到4. 2v的范圍內供電，也可以在個別提供20ma z 情況下驅動5個發(fā)光二極管。圖二為使用tps61062之驅動電路，這是一個典型基于升壓式 轉換器解決方案的白光發(fā)光二極管驅動器電路。c2 220 nfit r_c 1v1nswenoutiledfbgndpgnd圖二：典型口光發(fā)光二極管升壓式轉換器驅動器。圖二的升壓式轉換器采用最新的ic發(fā)展技術，完全整合同步升壓式轉換器，并省略外部的 蕭基二極管，貝備最小體積以及最少外部元件等優(yōu)點。前文已經針対圖一及圖二的解決方案 進行最重要的設計參數之討論，同時也說明升壓式轉換器和電荷幫浦解決方案的不同之

3、處。 接下來我們則將針對電荷幫浦和升壓式轉換器白光發(fā)光二極管驅動電路的各個方面進行比 較。電荷幫浦vs.升壓式轉換器之效率我們無法單就效率來評論電荷幫浦之良莠，因為整體效率受到與應川場合相關之參數的 影響，這些參數包括發(fā)光二極管的順向電壓、鋰電池的放電特性及受不同電荷幫浦模式影響 之發(fā)光二極管電流。圖三為典型的電荷幫浦解決方案效率曲線；當轉換器操作在“低壓降線 性調廿器（ldo）模式”下且增益為1、輸入電壓在4. 23. 6伏特z間時，效率可保持在75% 以上。在低壓降線性調節(jié)器模式屮，電荷幫浦之動作與低壓降線性調節(jié)器一樣，輸入電壓都 被向下調整到發(fā)光二極管的典型順向電壓3. 1v3. 5v。

4、另一個低壓降線性調節(jié)器模式的好處 是元件內部未進行切換，故可避免電磁干擾的問題。2.7 3.13.5 3.9 4.34.75.1 5.55.9 6.3 6.5v）一 input voltage 一 v圖三：內部轉換器增益切換所造成的效率步階變化。然而，當增益為1.5、驅動由低壓降線性調節(jié)器模式轉換到升壓模式吋，效率會急劇下 滑，此現象主要取決于驅動ic屮的內部壓降及發(fā)光二極管順向電壓。在升壓模式屮，元件 內部會進行切換，并產牛比輸入電壓高1.5倍的內部電壓，此內部電壓需要調降到與發(fā)光二 極管順向電壓相同，效率也因此降低。總結來說，在低壓降線性調節(jié)器模式下操作時，電荷 幫浦的效率非常的高。904

5、 j302001015led current - ma807060圖四：整合型同步升壓轉換器效率曲線圖。相對于電荷幫浦解決方案而言，如圖四所示，使用tps61062的升壓式轉換器在整個鋰電池 操作電壓的范圍中英效率均可介于75%到80%間。冇些升壓式轉換器解決方案，如搭配外 部整流二極管的tps61042,甚至可以達到85%的效率。山于輸入輸出轉換比率較低，因此 當驅動少于5個發(fā)光二極管時，效率其至還可以提高。整體來說，升壓式轉換器通?？蛇_到 比電荷幫浦解決方案較高的效率，特別是在驅動4個及4個以上的發(fā)光二極管時。電荷幫浦vs.升壓式轉換器之解決方案體積電荷幫浦解決方案在過去向來是應用主流，主

6、耍是因為升壓式轉換器運用了龐大的電感與外 部的蕭基二極管。市于最新的發(fā)展及高度的整合水平，升壓式轉換器解決方案已達到與電荷 幫浦解決方案相近的體積。電荷幫浦驅動需要更多的接腳、更大的元件包裝以及兩個外部的 飛馳電容(flying capacitor),因此電荷幫浦解決方案的體積與升壓式轉換器相去不遠, 甚至更大。將升壓式轉換器的切換頻率增加到1mhz,就可以使用較小的電感和輸入輸出電 容。tps61062的內部控制循壞被進一步設計成在正常操作卜，電感電流不會達到切換電流 的最大限制。這讓小電感的的最大電流量只要符合電感電流峰值即可。舉例來說，在驅動4 個發(fā)光二極管時，使用一個飽和電流為200i

7、na的電感就足夠了。若沒有這個特殊的內部循環(huán) 設計，電感飽和電流就得達到400ma,而需要更大的電感體積與鐵心。電荷幫浦vs.升壓式轉換器之元件高度當元件高度小于lnrni吋，電感少元件相較就顯得大了。所以當元件高度必須小于1mm ht,建 議采用電荷幫浦解決方案。電荷幫浦vs.升壓式轉換器之電磁干擾考量本節(jié)只會捉及國際電磁兼容的規(guī)范之一，而不會深入討論如何符合如ce等任一個國際電磁 兼容的規(guī)范°本節(jié)主要焦點曹重于無線系統(tǒng)中切換式轉換器元件切換時所產生的各種無線射 頻失真。在無線應用屮，電磁干擾向來是主要考量，以避免發(fā)送與接收時的頻帶失真。令人 驚訝的是，在考慮電磁干擾方面-般趨勢仍

8、然傾向于釆用電荷幫浦解決方案；其原因z i nj* 能是對升壓式轉換器需要電感的恐怛o 一般而言電磁輻射較不易構成干擾，因為在多數 的無線射頻應用場合中射頻敏感電路周圍均會加裝遮蔽電感(shielded inductor)以及電磁屏蔽。因此，電感性升壓式轉換器造成電磁干擾最有可能的真正原因，是輸入輸出電壓濾波不足，或不適當的印刷電路板布線所造成的。不適當的印刷電路板布線和元件配置是 造成升壓式轉換器的電磁干擾和穩(wěn)定度問題的主因之丨。在由鋰電池驅動的無線系統(tǒng)屮，白光發(fā)光二極管驅動級會將切換雜訊經由其輸入，耦合到無 線射頻系統(tǒng)中。由于含有脈波的白光發(fā)光二極管驅動器輸入電流直接連接到電池端，且由電

9、池供應無線射頻區(qū)塊電力，因此切換雜訊會經市電池端由口光發(fā)光二極管驅動級，耦合到無 線射頻電路的輸入，并造成嚴重的干擾。我們藉山比較升壓式轉換器和電荷幫浦解決方案的 輸入電壓漣波，來判斷在哪里一種解決方案較適合解決傳導性電磁干擾。川頻譜分析儀去觀察輸入端是評估的方法之一。在固定的切換頻率下操作元件，頻率頻譜可顯示出切換頻率的基波與它的諧波。圖五為使用標準1比輸入電容的升壓式轉換器tps61062之輸入端之頻譜分析儀用測結果。 圖五顯示在lmz卜的基波和它在更高切換頻率的諧波人小。為了使無線射頻區(qū)段的干擾減到 最小，基波和它諧波的頻率必須盡量提高，同時振幅必須越低越好。這是因為轉換器的切換 頻率會

10、跟發(fā)射端的載波頻率混雜，造成載波頻率出現旁帶（sideband）。此旁帶出現在傳送 端的輸出頻譜上正好是低于一個切換頻率而高于傳送頻率的地方。切換頻率越低，旁帶就越 靠近傳送頻率，也會降低傳送端的訊雜比。切換頻率越高，旁帶則越遠離傳送頻率，而提高 傳送端的訊雜比。同理可證，當轉換器切換頻率基波的振幅越低，訊號的訊雜比也就和対越 高。因此將轉換器切換頻率固定在1mhz和1mhz以上，即可適用于人部分的丿應用場合。1ap圖五：在lmik切換頻率下升壓式轉換器z輸入端頻率頻譜。我們用示波器量測輸入電壓漣波，而非單單觀察輸入端頻率頻譜，圖六和圖七分別為升壓式 轉換器和電荷幫浦解決方案的圖形。vin 5

11、0mv/divvsw10v/div400ns/div圖六：升壓式轉換器呈現峰對峰值為32mv的輸入電壓漣波。圖六中的ch1為切換節(jié)點的波形，ch2則為輸入電壓漣波。在輸入電容為1f的情形下，輸 入電壓漣波的峰對峰值為32mv。圖七為和對應的電荷幫浦解決方案輸入電壓漣波波形，同 樣的也是使用if的輸入電容并且驅動5個發(fā)光二極管。vin50mv/divvcfly2v/div1 us/div68mv -41 mv圖七：電荷幫浦法轉換器呈現峰對峰值為68mv的漣波在相同設定下，電荷幫浦解決方案的輸入電壓漣波是升壓式轉換器解決方案的兩倍，這是因 為電荷幫油解決方案在增益為1.5時會產生兒乎為方波的輸入電

12、流。此外，對輸入濾波器來 說，電荷幫浦法只有輸入電容；升壓式轉換器的輸入濾波器則同時貝-備有電感和輸入電容, 此濾波器效果較佳，電壓漣波也較小。對升壓式轉換器和電荷幫浦解決方案而言，若要更進一步的減少電壓漣波，最冇效率的方法 就是增大輸入電容的值。針対非常敏感的應用，則可以考慮外加lc輸入濾波器，用一個小 的鐵粉心粒(ferrite beads)來抗雜訊。結論無論是電荷幫浦解決方案或升壓式轉換器解決方案都無法適用于所有的m用。解決方案的選擇必須山特定的應用場合需求和關鍵的參數來決定。此外，也可看出電荷幫浦解決方案在電 磁干擾方而并不比升壓式轉換器解決方案好。表一總結了在選擇電荷幫浦或刃壓式轉換器解 決方案時的關鍵標準。白光發(fā)光二決策矩陣：升壓式腆器形電荷幫浦參數電荷幫浦升験器效率範圍很廣'由劣w佳偉！1國憂解決方秦之體積佳佳元件高度<lmmvlmm （有可能»取決 於電感發(fā)光二極體驅動線 數目每®發(fā)光二極騁一