针对手持照明应用的电感升压LED驱动器

现今互联网不仅是较流行的照片和视频分享平台，还是重要的社交网络。因此，在蜂窝手持电话市场中，多媒体手持电话的市场占有率正超越以语音为主的手机。这使得手持电话的尺寸越来越大，而对手机彩色显示屏分辨率得要求也随之更高。这一切都导致系统需从电池提取更大的功率作为显示屏的背光照明。此外，移动手机对照明的要求和单纯的显示屏相比更高，原因在于手机已成为一种潮流产物，它可以反映出用户的生活品味。基于这个原因，手机的灯光效果便需别出心裁，用于显示和娱乐，但均需要消耗更多的电量。

 目前，发光二极管(LED)被广泛应用到电池供电应用中的小型液晶显示屏上，用以提供高质量的照明。从LED发出的白光经过偏光片到达LCD，在该处光线会被阻隔或衰减，然后传送到RGB色彩滤光片以产生有颜色的光线。

 图1表示一个背光LED驱动器的系统框图，其中包含有一个电感升压DC/DC转换器和一个或更多的稳压式电流井(current sink)，每一个电流井均可驱动一条带有数个LED的灯串。此外，RGB的LED背光还需要一个以温度为基础的反馈控制，因此背光照明的成本比白光LED的更高。对于选择合适的背光LED驱动器，设计人员有三个问题必需考虑，分别是可用的电路板空间大小、系统要求的功能及所需功耗。

图 1. 背光LED驱动器

缩小电感器的尺寸

在为电池供电应用选择合适的LED驱动器时，首先需要考虑的问题是电路板空间，即电路驱动器与外部元件需要占用的面积(图2)。

图 2. 电感升压LED驱动器的PCB 布局实例

 一个典型的电感升压LED驱动器解决方案大约占据30mm²的电路板面积。电感驱动器一般需要两个电容器，一个在输入端，另一个在输出端，它们的电感值应介乎1mF~2.2mF，而尺寸则为0603及0805。除此之外，驱动器还需要一个可处理峰值电感器电流及输出电压的整流部份。在一个同步升压设计中，旁路PFET会被集成到电路内。可是，这种集成设计通常会导致电路封装的尺寸比异步解决方案的更大。同时，由于集成了高压PFET开关或二极管的关系，导致功率转换的效率下降约10%。相反，在一个异步拓扑中，用来旁路的部份只包含一个肖特基二极管。因此，LED驱动器中较累赘的元件便是电感器，而它也是整个解决方案中较难以完成的元件。以下我们将解释如何将电感升压LED驱动器中的电感器缩至较小。

 电感器是一个可将能量储存在核心磁场的元件，它能够将储存起来的能量以既定速率及时间释放。能量的存储量越大，核心的尺寸便越大，即电感器的尺寸与其能量处理的能力成正比。

图 3. LM3528电感升压LED驱动器

 图3所示为一个磁性升压稳压器的运作原理。当NFET开关处于关闭时(黑色箭头)，电感器电流i_L(t)便会从较低值I_A( t = t₀)向上爬升直至t = DT_S时的较高值I_PK，当中T_S是转换器的开关周期。在这段时间，肖特基二极管被逆向偏置而负载则由存储在输出电容器的能量支持。在这个阶段的结尾，电感器的能量由以下公式表示：

该公式中I_PK是峰值电感器电流，它与峰值开关及二极管的电流相对应。

当t = DT_S时，NFET开关被关闭而存储于电感器L内的能量会通过肖特基二极管释放到输出电容器及负载(虚线箭头)。之后，电感器电流会于t₂ -DT_S这段时间下降到原先的数值I_A。然而，输出电压必须大于输入，假如这电压关系不成立的话，电感器的能量便不能释放到输出网络中。换句话说，当NFET开关被关闭时，由于电流放电并不能同时间发生，因此通过电感器的电压会被逆向，而逆向的磁性电压会流到输出电压使其大于输入电压。当驱动一条10个LED的灯串时，所要求的供电电压可以高至35V，而流经电感器的电流I_PK则为：

当中 I_L 是电感器电流的直流成份而I_L 则是交流成份或电流纹波，其公式为：

当中D 是NFET开关的占空比而f_S = 1/T_S 则为开关频率。因此，储存在电感器内的能量可以看成是电感器电流纹波比率(r = I_L/I)的一个函数：

图 4.电感器能量

 如图4所示，每一个开关周期T_S期间存储在电感器磁场的能量会与电流纹波比率r成反比。由于电感器的尺寸与能量储存量有关，因此r=1是一个较好的选择，当r > 1时，电感器的能量要求比r < 1的下降得较慢。

 为了确保电感器没有饱和，我们需要根据较低的输入电压V_INMIN或较高的占空比D_MAX来选择电感器。

 在r = 1、f_S = 600kHz、I_L =300mA、D_MAX = 0.90 及 V_INMIN = 3.3V的条件下，电感值的要求为：

LM3528是一个电流模式升压转换器，其开关频率为1.3MHz。假如我们将上面公式的开关频率f_S改为1.3MHz，而其他参数不变的话，电感器的数值便为：

 由于电感器电流的交流和直流成份没有改变，所要求的能量值E = ½ x L x I_PK²。如此，电感器的尺寸便可缩小一半。一般而言，只需增大开关频率，便可降低应用对电感值的要求，从而将电感器的尺寸缩到较小。

 优化功耗

升压LED驱动器的功率损耗可分别来自NFET开关、二极管、电流井及电感器，这里只针对来自电感器与开关的损耗。一般来说，电感器的功率损耗主要由线圈的电阻所引起，而它同样是决定电感器尺寸的主要因素，其关系为：

公式中的DCR 为线圈的直流电阻。

大部份的情况下，DCR电阻均是电感器功率损耗的主要来源，因此可利用这数值作为选择合适电感器的指标。可是，对于高频应用来说，与频率相关的损耗必须计算在内，这包括由核心物料所造成的损耗(磁滞损耗和涡流损耗)以及因趋肤效应和接近效应所引致的线圈涡流损耗，所有这些交流损耗成份均可以归纳到串行电阻ACR：

 从NFET开关耗散的功率同时包含传导及开关损耗：

以上的电感器损耗及NFET开关传导损耗均取决于电感器的电流纹波比率，而所选用的比率应可把电感器的尺寸缩至较小。可是，NFET开关的损耗与输出电压及开关频率成比例。

 换句话说，在相同的输出功率下，较高的开关频率虽可带来较细小的电感器，但缺点是会增加开关损耗，而减少开关损耗的其中一个方法，便是降低输出电压。

 为了让读者更清楚明白，现让我们考虑一个具备以下规格的升压LED驱动器：

假如不考虑上升t_RISE 和下降 t_FALL时间，当LED驱动器为一条串有10个LED的灯串供电时，NFERT的开关损耗为：

而效率便相当于：

现把同一电路的10个LED分成两条灯串，那么功率耗散和效率便为：

从数式清晰可见效率获得提升，同时输出功率则维持不变。一般情况下，电感升压LED驱动器的开关损耗会随着输出电压而显著地增加。

 LED的控制

现实中，用户并不会无时无刻地使用手提设备的显示屏。例如，

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