【圖】白光發(fā)光二極管驅(qū)動解決方案
(2011/12/2 9:22:00)
白光發(fā)光二極管驅(qū)動解決方案
在為白光發(fā)光二極管選擇升壓式轉(zhuǎn)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面的表現(xiàn)較佳。不同的終端應(yīng)用對于發(fā)光二極管驅(qū)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，元件的高度可能是最重要的設(shè)計參數(shù)；對個人數(shù)碼助理（PDA）制造商而言，效率則是最重要的設(shè)計參數(shù)。圖一為使用TPS60230白光發(fā)光二極管電荷幫浦驅(qū)動器的典型應(yīng)用
▲圖一：典型白光發(fā)光二極管電荷幫浦驅(qū)動器
TPS60230一般來說是直接由鋰電池在3V到4.2V的范圍內(nèi)供電，也可以在個別提供20mA之情況下驅(qū)動5個發(fā)光二極管。圖二為使用TPS61062之驅(qū)動電路，這是一個典型基于升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案的白光發(fā)光二極管驅(qū)動器電路。
▲圖二：典型白光發(fā)光二極管升壓式轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器。
圖二的升壓式轉(zhuǎn)換器采用最新的IC發(fā)展技術(shù)，完全整合同步升壓式轉(zhuǎn)換器，并省略外部的蕭基二極管，具備最小體積以及最少外部元件等優(yōu)點。前文已經(jīng)針對圖一及圖二的解決方案進(jìn)行最重要的設(shè)計參數(shù)之討論，同時也說明升壓式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器白光發(fā)光二極管驅(qū)動電路的各個方面進(jìn)行比較。
■電荷幫浦vs.升壓式轉(zhuǎn)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(yīng)用場合相關(guān)之參數(shù)的影響，這些參數(shù)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(dāng)轉(zhuǎn)換器操作在“低壓降線性調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器模式中，電荷幫浦之動作與低壓降線性調(diào)節(jié)器一樣，輸入電壓都被向下調(diào)整到發(fā)光二極管的典型順向電壓3.1V3.5V。另一個低壓降線性調(diào)節(jié)器模式的好處是元件內(nèi)部未進(jìn)行切換，故可避免電磁干擾的問題。
▲圖三：內(nèi)部轉(zhuǎn)換器增益切換所造成的效率步階變化。
然而，當(dāng)增益為1.5、驅(qū)動由「低壓降線性調(diào)節(jié)器模式」轉(zhuǎn)換到升壓模式時，效率會急劇下滑，此現(xiàn)象主要取決于驅(qū)動IC中的內(nèi)部壓降及發(fā)光二極管順向電壓。在升壓模式中，元件內(nèi)部會進(jìn)行切換，并產(chǎn)生比輸入電壓高1.5倍的內(nèi)部電壓，此內(nèi)部電壓需要調(diào)降到與發(fā)光二極管順向電壓相同，效率也因此降低。總結(jié)來說，在低壓降線性調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器在整個鋰電池操作電壓的范圍中其效率均可介于75％到80％間。有些升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案，如搭配外部整流二極管的TPS61042，甚至可以達(dá)到85％的效率。由于輸入輸出轉(zhuǎn)換比率較低，因此當(dāng)驅(qū)動少于5個發(fā)光二極管時，效率甚至還可以提高。整體來說，升壓式轉(zhuǎn)換器通常可達(dá)到比電荷幫浦解決方案較高的效率，特別是在驅(qū)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(zhuǎn)換器之解決方案體積
電荷幫浦解決方案在過去向來是應(yīng)用主流，主要是因為升壓式轉(zhuǎn)換器運用了龐大的電感與外部的蕭基二極管。由于最新的發(fā)展及高度的整合水平，升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案已達(dá)到與電荷幫浦解決方案相近的體積。電荷幫浦驅(qū)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(zhuǎn)換器相去不遠(yuǎn)，甚至更大。將升壓式轉(zhuǎn)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(nèi)部控制循環(huán)被進(jìn)一步設(shè)計成在正常操作下，電感電流不會達(dá)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(qū)動4個發(fā)光二極管時，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(nèi)部循環(huán)設(shè)計，電感飽和電流就得達(dá)到400mA，而需要更大的電感體積與鐵心。
■電荷幫浦vs.升壓式轉(zhuǎn)換器之元件高度
當(dāng)元件高度小于1mm時，電感與元件相較就顯得大了。所以當(dāng)元件高度必須小于1mm時，建議采用電荷幫浦解決方案。
■電荷幫浦vs.升壓式轉(zhuǎn)換器之電磁干擾考量
本節(jié)只會提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)主要焦點著重于無線系統(tǒng)中切換式轉(zhuǎn)換器元件切換時所產(chǎn)生的各種無線射頻失真。在無線應(yīng)用中，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一般趨勢仍然傾向于采用電荷幫浦解決方案；其原因之ㄧ可能是對升壓式轉(zhuǎn)換器需要電感的「恐懼」。一般而言電磁輻射較不易構(gòu)成干擾，因為在多數(shù)的無線射頻應(yīng)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(zhuǎn)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(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒宀季�所造成的。不適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒宀季�和元件配置是造成升壓式轉(zhuǎn)換器的電磁干擾和穩(wěn)定度問題的主因之ㄧ。
在由鋰電池驅(qū)動的無線系統(tǒng)中，白光發(fā)光二極管驅(qū)動級會將切換雜訊經(jīng)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(qū)動器輸入電流直接連接到電池端，且由電池供應(yīng)無線射頻區(qū)塊電力，因此切換雜訊會經(jīng)由電池端由白光發(fā)光二極管驅(qū)動級，耦合到無線射頻電路的輸入，并造成嚴(yán)重的干擾。我們藉由比較升壓式轉(zhuǎn)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)1Mz輸入電容的升壓式轉(zhuǎn)換器TPS61062之輸入端之頻譜分析儀量測結(jié)果。
▲圖五：在1MHz切換頻率下升壓式轉(zhuǎn)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(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(zhuǎn)換器的切換頻率會跟發(fā)射端的載波頻率混雜，造成載波頻率出現(xiàn)旁帶（sideband）。此旁帶出現(xiàn)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(yuǎn)離傳送頻率，而提高傳送端的訊雜比。同理可證，當(dāng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器切換頻率固定在1MHz和1MHz以上，即可適用于大部分的應(yīng)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(zhuǎn)換器和電荷幫浦解決方案的圖形。
▲圖六：升壓式轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)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。圖七為相對應(yīng)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的輸入電容并且驅(qū)動5個發(fā)光二極管。
▲圖七：電荷幫浦法轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)峰對峰值為68mV的漣波
在相同設(shè)定下，電荷幫浦解決方案的輸入電壓漣波是升壓式轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器和電荷幫浦解決方案而言，若要更進(jìn)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(yīng)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(jié)論
無論是電荷幫浦解決方案或升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案都無法適用于所有的應(yīng)用。解決方案的選擇必須由特定的應(yīng)用場合需求和關(guān)鍵的參數(shù)來決定。此外，也可看出電荷幫浦解決方案在電磁干擾方面并不比升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案好。表一總結(jié)了在選擇電荷幫浦或升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案時的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]德州儀器：白光發(fā)光二極管電源供應(yīng)器設(shè)計技術(shù)（Oliver Nachbaur）
[2]德州儀器：TPS61060產(chǎn)品規(guī)格表
[3]德州儀器：TPS60230產(chǎn)品規(guī)格表
[4]德州儀器：TPS61042產(chǎn)品規(guī)格表
在為白光發(fā)光二極管選擇升壓式轉(zhuǎn)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面的表現(xiàn)較佳。不同的終端應(yīng)用對于發(fā)光二極管驅(qū)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，元件的高度可能是最重要的設(shè)計參數(shù)；對個人數(shù)碼助理（PDA）制造商而言，效率則是最重要的設(shè)計參數(shù)。圖一為使用TPS60230白光發(fā)光二極管電荷幫浦驅(qū)動器的典型應(yīng)用
▲圖一：典型白光發(fā)光二極管電荷幫浦驅(qū)動器
TPS60230一般來說是直接由鋰電池在3V到4.2V的范圍內(nèi)供電，也可以在個別提供20mA之情況下驅(qū)動5個發(fā)光二極管。圖二為使用TPS61062之驅(qū)動電路，這是一個典型基于升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案的白光發(fā)光二極管驅(qū)動器電路。
▲圖二：典型白光發(fā)光二極管升壓式轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器。
圖二的升壓式轉(zhuǎn)換器采用最新的IC發(fā)展技術(shù)，完全整合同步升壓式轉(zhuǎn)換器，并省略外部的蕭基二極管，具備最小體積以及最少外部元件等優(yōu)點。前文已經(jīng)針對圖一及圖二的解決方案進(jìn)行最重要的設(shè)計參數(shù)之討論，同時也說明升壓式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器白光發(fā)光二極管驅(qū)動電路的各個方面進(jìn)行比較。
■電荷幫浦vs.升壓式轉(zhuǎn)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(yīng)用場合相關(guān)之參數(shù)的影響，這些參數(shù)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(dāng)轉(zhuǎn)換器操作在“低壓降線性調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器模式中，電荷幫浦之動作與低壓降線性調(diào)節(jié)器一樣，輸入電壓都被向下調(diào)整到發(fā)光二極管的典型順向電壓3.1V3.5V。另一個低壓降線性調(diào)節(jié)器模式的好處是元件內(nèi)部未進(jìn)行切換，故可避免電磁干擾的問題。
▲圖三：內(nèi)部轉(zhuǎn)換器增益切換所造成的效率步階變化。
然而，當(dāng)增益為1.5、驅(qū)動由「低壓降線性調(diào)節(jié)器模式」轉(zhuǎn)換到升壓模式時，效率會急劇下滑，此現(xiàn)象主要取決于驅(qū)動IC中的內(nèi)部壓降及發(fā)光二極管順向電壓。在升壓模式中，元件內(nèi)部會進(jìn)行切換，并產(chǎn)生比輸入電壓高1.5倍的內(nèi)部電壓，此內(nèi)部電壓需要調(diào)降到與發(fā)光二極管順向電壓相同，效率也因此降低。總結(jié)來說，在低壓降線性調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器在整個鋰電池操作電壓的范圍中其效率均可介于75％到80％間。有些升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案，如搭配外部整流二極管的TPS61042，甚至可以達(dá)到85％的效率。由于輸入輸出轉(zhuǎn)換比率較低，因此當(dāng)驅(qū)動少于5個發(fā)光二極管時，效率甚至還可以提高。整體來說，升壓式轉(zhuǎn)換器通常可達(dá)到比電荷幫浦解決方案較高的效率，特別是在驅(qū)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(zhuǎn)換器之解決方案體積
電荷幫浦解決方案在過去向來是應(yīng)用主流，主要是因為升壓式轉(zhuǎn)換器運用了龐大的電感與外部的蕭基二極管。由于最新的發(fā)展及高度的整合水平，升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案已達(dá)到與電荷幫浦解決方案相近的體積。電荷幫浦驅(qū)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(zhuǎn)換器相去不遠(yuǎn)，甚至更大。將升壓式轉(zhuǎn)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(nèi)部控制循環(huán)被進(jìn)一步設(shè)計成在正常操作下，電感電流不會達(dá)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(qū)動4個發(fā)光二極管時，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(nèi)部循環(huán)設(shè)計，電感飽和電流就得達(dá)到400mA，而需要更大的電感體積與鐵心。
■電荷幫浦vs.升壓式轉(zhuǎn)換器之元件高度
當(dāng)元件高度小于1mm時，電感與元件相較就顯得大了。所以當(dāng)元件高度必須小于1mm時，建議采用電荷幫浦解決方案。
■電荷幫浦vs.升壓式轉(zhuǎn)換器之電磁干擾考量
本節(jié)只會提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)主要焦點著重于無線系統(tǒng)中切換式轉(zhuǎn)換器元件切換時所產(chǎn)生的各種無線射頻失真。在無線應(yīng)用中，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一般趨勢仍然傾向于采用電荷幫浦解決方案；其原因之ㄧ可能是對升壓式轉(zhuǎn)換器需要電感的「恐懼」。一般而言電磁輻射較不易構(gòu)成干擾，因為在多數(shù)的無線射頻應(yīng)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(zhuǎn)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(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒宀季�所造成的。不適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒宀季�和元件配置是造成升壓式轉(zhuǎn)換器的電磁干擾和穩(wěn)定度問題的主因之ㄧ。
在由鋰電池驅(qū)動的無線系統(tǒng)中，白光發(fā)光二極管驅(qū)動級會將切換雜訊經(jīng)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(qū)動器輸入電流直接連接到電池端，且由電池供應(yīng)無線射頻區(qū)塊電力，因此切換雜訊會經(jīng)由電池端由白光發(fā)光二極管驅(qū)動級，耦合到無線射頻電路的輸入，并造成嚴(yán)重的干擾。我們藉由比較升壓式轉(zhuǎn)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)1Mz輸入電容的升壓式轉(zhuǎn)換器TPS61062之輸入端之頻譜分析儀量測結(jié)果。
▲圖五：在1MHz切換頻率下升壓式轉(zhuǎn)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(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(zhuǎn)換器的切換頻率會跟發(fā)射端的載波頻率混雜，造成載波頻率出現(xiàn)旁帶（sideband）。此旁帶出現(xiàn)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(yuǎn)離傳送頻率，而提高傳送端的訊雜比。同理可證，當(dāng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器切換頻率固定在1MHz和1MHz以上，即可適用于大部分的應(yīng)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(zhuǎn)換器和電荷幫浦解決方案的圖形。
▲圖六：升壓式轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)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。圖七為相對應(yīng)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的輸入電容并且驅(qū)動5個發(fā)光二極管。
▲圖七：電荷幫浦法轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)峰對峰值為68mV的漣波
在相同設(shè)定下，電荷幫浦解決方案的輸入電壓漣波是升壓式轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器和電荷幫浦解決方案而言，若要更進(jìn)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(yīng)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(jié)論
無論是電荷幫浦解決方案或升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案都無法適用于所有的應(yīng)用。解決方案的選擇必須由特定的應(yīng)用場合需求和關(guān)鍵的參數(shù)來決定。此外，也可看出電荷幫浦解決方案在電磁干擾方面并不比升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案好。表一總結(jié)了在選擇電荷幫浦或升壓式轉(zhuǎn)換器解決方案時的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]德州儀器：白光發(fā)光二極管電源供應(yīng)器設(shè)計技術(shù)（Oliver Nachbaur）
[2]德州儀器：TPS61060產(chǎn)品規(guī)格表
[3]德州儀器：TPS60230產(chǎn)品規(guī)格表
[4]德州儀器：TPS61042產(chǎn)品規(guī)格表
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