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。

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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，当用户正用手提电话讲话时，显示屏会在短时间内自动关闭，因此白光LED的编程对于控制显示屏的照明极其重要。

照明的亮度可以通过改变LED电流(模拟控制)而直接控制，又或可间接地快速开关LED来营造视觉上的明暗效果(PWM控制)。现今，大部份的便携设备都倾向采用模拟亮度控制方式，原因是背光控制器一般与LED驱动器相隔一段距离，因此，在布线时会比较麻烦，因为带有PWM信号的迹线如果太接近噪声敏感的系统时，例如无线电收发器、扬声器或显示屏，便会很容易发生问题。

再者，人眼对光的反应会比较着重比率而非增量，即是倍数而非累加，而另一个说法是可把人眼当作成一个对数式检测器。当眼睛以线性级分辨亮度时，光强度的变化便可以倍数级去计算。假如我要求您调节光线并以相等的级数作排列时，您可能会把亮度级编成10、20、40、80和160，又或是10、30、90、270、810，但绝不会是100、200、300、400或100、150、200、250。换句话说，每一个级都是前级乘以一个固定的常数。我们称之对数方式，原因是数值的对数以相等的级数来编排。以刚才假设的级数10、20、40、80和160作例子，并以10作为对数的基数，那得出来的结果便是1.0、1.3、1.6、1.9及2.2。如此，当您需要把真正的数值乘大一倍时，那便相当于在其对数值加上0.3 (比较精准是0.301)。一般来说，肉眼并不能辨别出少于±15%的亮度分别。

基于这个原因，LM3528包含一个I²C兼容接口，它能够以128个指数式的调光级和600:1的调光比率来控制LED的电流，以实现真正觉察得到的线性亮度级别控制，并确保调光方式能让显示屏的开关看上去更加流畅。通过加入调光或关闭背光的功能，设计人员便拥有更大的灵活性并可延长电池的工作时间。

个人移动设备的照明需求一般比主显示器的更大，如此一来，针对其他照明功能的辅助LED难免需要消耗更多的电池电量。例如，按键照明是手持设备的一个重要特性，它不需要像主显示屏背光般要求高的LED电流精确度。至于LED提示灯则可告知用户一系列的信息，包括充电、电量过低和接收短信等，或LED甚至可单单用作娱乐灯光应用。配合额外的独立LED输出，LM3528能够通过I²C兼容接口实现可编程的闪灯图案。

较后，色域广阔的应用需同时使用红、绿和蓝三种颜色的LED。其中红光LED是由InGaAlP制成，而蓝和绿光LED是由InGaN制成。当环境温度出现变化时，红光的主波长将比蓝和绿光产生更急剧的变化，因此需要加入某种形式的温度补偿反馈环路。图7中的LP552

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