白光發光二極體驅動解決方案

admin @ 2014-03-19 , reply:0

概述
白光發光二極體驅動解決方案在為白光發光二極體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裡些特定方面的表現較佳。不同的終端應用對於發光二極體驅動器的需求也會不同。舉例……
白光發光二極體驅動解決方案
在為白光發光二極體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裡些特定方面的表現較佳。不同的終端應用對於發光二極體驅動器的需求也會不同。舉例來說,對於液晶(LCD)模塊製造商而言,元件的高度可能是最重要的設計參數;對個人數碼助理(PDA)製造商而言,效率則是最重要的設計參數。圖一為使用TPS60230白光發光二極體電荷幫浦驅動器的典型應用


▲圖一:典型白光發光二極體電荷幫浦驅動器



TPS60230一般來說是直接由鋰電池在3V到4.2V的範圍內供電,也可以在個別提供20mA之情況下驅動5個發光二極體。圖二為使用TPS61062之驅動電路,這是一個典型基於升壓式轉換器解決方案的白光發光二極體驅動器電路。



▲圖二:典型白光發光二極體升壓式轉換器驅動器。





圖二的升壓式轉換器採用最新的IC發展技術,完全整合同步升壓式轉換器,並省略外部的蕭基二極體,具備最小體積以及最少外部元件等優點。前文已經針對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處。接下來我們則將針對電荷幫浦和升壓式轉換器白光發光二極體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用場合相關之參數的影響,這些參數包括發光二極體的順向電壓、鋰電池的放電特性及受不同電荷幫浦模式影響之發光二極體電流。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“低壓降線性調節器(LDO)模式”下且增益為1、輸入電壓在4.23.6伏特之間時,效率可保持在75%以上。在低壓降線性調節器模式中,電荷幫浦之動作與低壓降線性調節器一樣,輸入電壓都被向下調整到發光二極體的典型順向電壓3.1V3.5V。另一個低壓降線性調節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。







▲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「低壓降線性調節器模式」轉換到升壓模式時,效率會急劇下滑,此現象主要取決於驅動IC中的內部壓降及發光二極體順向電壓。在升壓模式中,元件內部會進行切換,併產生比輸入電壓高1.5倍的內部電壓,此內部電壓需要調降到與發光二極體順向電壓相同,效率也因此降低。總結來說,在低壓降線性調節器模式下操作時,電荷幫浦的效率非常的高。





▲圖四:整合型同步升壓轉換器效率曲線圖。







相對於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範圍中其效率均可介於75%到80%間。有些升壓式轉換器解決方案,如搭配外部整流二極體的TPS61042,甚至可以達到85%的效率。由於輸入輸出轉換比率較低,因此當驅動少於5個發光二極體時,效率甚至還可以提高。整體來說,升壓式轉換器通常可達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個以上的發光二極體時。



 ■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,主要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體。由於最新的發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的內部控制循環被進一步設計成在正常操作下,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個發光二極體時,使用一個飽和電流為200mA的電感就足夠了。若沒有這個特殊的內部循環設計,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



當元件高度小於1mm時,電感與元件相較就顯得大了。所以當元件高度必須小於1mm時,建議採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



本節只會提及國際電磁兼容的規範之一,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範。本節主要焦點著重於無線系統中切換式轉換器元件切換時所產生的各種無線射頻失真。在無線應用中,電磁干擾向來是主要考量,以避免發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一般趨勢仍然傾向於採用電荷幫浦解決方案;其原因之ㄧ可能是對升壓式轉換器需要電感的「恐懼」。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定度問題的主因之ㄧ。



在由鋰電池驅動的無線系統中,白光發光二極體驅動級會將切換雜訊經由其輸入,耦合到無線射頻系統中。由於含有脈波的白光發光二極體驅動器輸入電流直接連接到電池端,且由電池供應無線射頻區塊電力,因此切換雜訊會經由電池端由白光發光二極體驅動級,耦合到無線射頻電路的輸入,並造成嚴重的干擾。我們藉由比較升壓式轉換器和電荷幫浦解決方案的輸入電壓漣波,來判斷在哪裡一種解決方案較適合解決傳導性電磁干擾。



用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1Mz輸入電容的升壓式轉換器TPS61062之輸入端之頻譜分析儀量測結果。





▲圖五:在1MHz切換頻率下升壓式轉換器之輸入端頻率頻譜。







圖五顯示在1Mz下的基波和它在更高切換頻率的諧波大小。為了使無線射頻區段的干擾減到最小,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跟發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於一個切換頻率而高於傳送頻率的地方。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,訊號的訊雜比也就相對越高。因此將轉換器切換頻率固定在1MHz和1MHz以上,即可適用於大部分的應用場合。



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。





▲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。圖七為相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1F的輸入電容並且驅動5個發光二極體。





▲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,這是因為電荷幫浦解決方案在增益為1.5時會產生幾乎為方波的輸入電流。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具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,最有效率的方法就是增大輸入電容的值。針對非常敏感的應用,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於所有的應用。解決方案的選擇必須由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面並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升壓式轉換器解決方案時的關鍵標準。





參考文獻:



 [1]德州儀器:白光發光二極體電源供應器設計技術(Oliver Nachbaur)



 [2]德州儀器:TPS61060產品規格表



 [3]德州儀器:TPS60230產品規格表



 [4]德州儀器:TPS61042產品規格表

 




[admin via 研發互助社區 ] 白光發光二極體驅動解決方案已經有3394次圍觀

http://cocdig.com/docs/show-post-39026.html