白光LED的电源！

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用于白光LED的电源

作者：安森美半导体公司 Michael Bairanzade

随着大型彩色或黑白LCD显示屏的发展，LED技术也不断进步，可用更低的功率产生更强的光，多用作便携式或交流线路供电系统照明源。现在，白色LED能够提供与普通白炽灯泡几乎一样或更多的光源。 与白炽灯管或低压荧光灯管相比，LED的稳定性和长寿命是明显优势：白炽灯的连续工作时间很少可以超过1000小时，采用电子驱动器的荧光灯管的连续工作时间可超过8000小时，但LED能够无故障工作50 000小时以上。 白光LED能够支持多种应用：小功率背光、交通信号灯、汽车尾灯、汽车仪表盘、相机闪光灯、信标灯、大型屏幕、公共照明、工作岗位照明等。 但是，LED的缺点在于需要对流入LED的正向电流进行较精确控制，以获得预期性能：在2～4V电压范围内，低正向压降使其不可能与电源直接连接。另外，由于LED是电流驱动器件，不能与低压电源直接连接。因为供电电压变化时电流波动较大，不仅照明度将不稳定，而且如果正向电流超过最大额定值，LED可能损坏。 在此需考虑两种情况： ● LED由主电源供电，电压在标准通用范围85～285Vac内。 ● LED用于电池供电应用，供电电压范围一般在1.5～24Vdc内。在特定的汽车应用中会用到24Vdc的电压。 交流工作模式下，输入电压较高，需要在LED和交流主电源之间有一个高压转换器。是否进行电隔离取决于最终应用，这多少会使设计变得更加复杂。一般来说，LED将串行连接，以增加压降，提高整体效率。反激结构是进行控制电流和保持长期可靠性的良好解决方案。 低压直流工作系统的情况不同，因为LED可以串联也可并联，两种解决方案各有优缺点。与交流情况相比，其他参数的主要区别在于是否可能用同样的零电压作为驱动器和负载的接地参考，因为一般情况无需电隔离(特殊情况除外)。 在串联配置中，LED的数量受驱动器的最高电压限制，最高电压一般为40V。串联配置中根据LED的正向电压，这一最高电压最多能够支持10～13个LED，驱动电流的范围是连续状态的10～350mA。这种配置的优势是串行LED可以用单线传输电流。缺点则是双重的：当PCB空间受限时(特别是高功率时)，铜导线上的电流密度是个问题，而且如果在开放模式中一个LED发生故障，所有LED都将被关掉。但是，从设计角度看，如果有n个LED，就要将电池电压提升到n·Vf，所以必须采用升压结构，我们可以利用电感元件精确地监控电流斜率，从而限制了非受控瞬流产生的EMI。典型升压拓扑结构如图1所示。                                 登录/注册后可看大图 图1 电感 LED驱动器 在并联配置中，特定阵列中的LED数量受到驱动器封装水平和连接器引脚数量的限制，将12个以上的LED并联并非易事。另外，LED串联时，必须对每个LED进行电流控制，以确保LED之间的匹配非常适于特定应用。实际上，两个LED间10%以上的不匹配将影响彩色LCD的显示质量，这对图形显示屏是不可接受的。在上述的串联配置中并不存在这种问题，因为所有LED共享电流，且自动精确匹配。 此外，并联配置能够利用电荷泵技术，用2个陶瓷电容将能量从电池传输到LED阵列。除了电荷泵转换器以外，每个LED控制器还包含一个电流镜像，此镜像的质量是LED间良好匹配的关键。图2描述一种电荷泵拓扑结构，基于电池和专用电流源进行能量转换和调节的电容开关，优化的专用电流源可使LED电流不受正向电压和输入电源的变化影响。                                 登录/注册后可看大图 图2 基于电荷泵的LED驱动器框图 另一方面，因为电荷泵基于电压传输，所以电流本身不是自动控制，需要在芯片设计阶段特别留意，以免工作中出现大量EMI。EMI是个严重问题，从直流角度来看，由于无线干扰，性能最好的集成电路可能不能通过政府的质量检查。问题不仅限于电荷泵结构，如果芯片设计不良，或电感的质量不足以防止EMI时，升压转换器容易产生EMI问题。尤其由于成本原因，电感没有进行屏蔽，而且大量电磁场会因为线圈和磁心漏电而辐射到环境中。在设计初期使用恰当的屏蔽电感器比重新连接PCB来解决EMI问题更好用。 同样地，采用最好的陶瓷电容比在项目接近完成时检查设计更加明智，虽然起初看起来像是昂贵一点。比如，低成本的1Ω ESR电容会在Vbat电源电压的200mA LED驱动器上产生500mV的毛刺，这是PCB布局难以弥补的真正致命问题。 从集成电路角度看，关键的参数包括很多内容，精确匹配LED中正向电流的能力，限制涌入电流的软启动，容错并能够保持输出驱动和任何引脚(包括接地)之间的开路负载或短路。 尽管设计一块能够在任何正向电流和配置情况下处理任何LED的芯片在技术上是可行的，但是成本十分昂贵。开发一种处理特定需要、具有合理的额外特性或技术容限的芯片更经济有效，所以市场上出现了各种系列的LED驱动器。另外的一个趋势是采用微型封装技术减小应用于LED驱动器的芯片尺寸，新的芯片大小是2mm×2mm，仅0.55mm厚，能放在板上最紧凑的地方。 最后，目前的技术趋势是通过改进材料和封装来改进LED，减小相同工作电流下的正向压降，最终我们能够直接用单节带电流源的锂离子电池驱动LED，并控制LED电流。红色和琥珀色LED已实现上述目标，而一些白色LED的最大正向电压已接近3.2V。下一步将是设计出新的转换器，用这种低Vf的LED获得最高效率。

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