發布日期：2017-08-02 閱讀次數：9528
用低壓電池驅動
LED，所用的電池類型一般為可充電電池，如鎳鉻電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。電壓范圍為：1.2~24V（汽車內直流供電電壓）。
根據電池電壓與LED正向壓降的相對大小，可能出現以下幾種情況：
?。?）電池電壓低于LED的正向壓降
這是一種常見的情況，如想用一節干電池或鎳鉻/鎳氫電池去驅動一只LED，或者用較高電池電壓去驅動多只串聯的LED，但電池電壓低于LED串的正向壓降，例如，在手電筒中用一節電池驅動LED，電池電壓為0.8（1.65V，低于LED的正向壓降，此時必須把它的電壓升高，達到足以把LED點亮的程度。
考慮到功率不大，可以采用電荷泵式升壓變換器（或稱開關電容式升壓變換器）。如需用多只LED串聯且功率較大，則可以采用電感升壓變換器。它們都屬于升壓變換器一類的電源。
?。?）供給LED的電源電壓在LED的正向壓降附近變動
供給LED的電源電壓略高于LED的正向壓降，在電池快用完電時，又有可能略低于LED的正向壓降。為了配合鋰離子電池工作，在要求盡可能小的體積和盡可能低的成本下，可采用升壓-降壓式變換器，或采用倍壓式電荷泵電升壓變換器。
?。?）電源電壓高于LED的正向壓降
如電源電壓較高，像太陽能草坪燈、太陽能庭院燈、汽車內外的照明燈，供電電池電壓可能為12V或24V，遠高于一只LED的正向壓降，此時可采用降壓變換器，如線性的降壓穩壓器或開關型穩壓器。普通的線性穩壓器（如市售的三端穩壓器件）效率較低，為了提高效率，在LED的驅動中，多采用低壓差的線性降壓穩壓器（LDO，其輸入、輸出電壓之差較?。?或者采用開關型降壓穩壓器（又稱DC/DC降壓變換器），后者的效率較高，一般在LED驅動中大都采用它。
考慮以上情況，筆者將通過三篇文章討論LED的低壓電源驅動問題，即DC/DC升壓變換器、DC/DC降壓變換器以及DC/DC降壓-升壓變換器，分析其工作原理、電路波形、特點以及所用的IC芯片等。本文討論DC/DC升壓變換器。DC/DC升壓變換器又可進一步分成兩種：電感升壓式變換器和電荷泵升壓變換器。
1 電感升壓式變換器
1.1 電感升壓型變換器的基本電路
電感升壓型（Boost）開關式變換器工作原理的基本電路如圖1所示。圖中方框代表控制器IC，它不僅集成了控制邏輯，還把開關管VT集成在里邊，有時甚至將開關二極管VD（有的IC資料稱之為同步整流器或簡稱為整流管）也集成在一起，使得外接元件數量很少，電路組成十分簡單。但如果所驅動LED的功率太大，就要把開關管VT和開關二極管VD放在外面，而只把開關管的柵極驅動器集成在里邊。
圖1電感升壓變換器的工作原理圖
不難看出，電感升壓型變換器電路的組成和開關電源及電子鎮流器中的臨界導通式有源功率因數校正電路十分相似。實際上，它們的工作原理也十分相似，在這里，經過開關管VT、升壓電感L及開關二極管VD的共同作用，也能將輸入電壓提高，使輸出電壓高于輸入電壓。至于提升的多少則取決于開關管的導通時間的長短或開關的占空比D的大小，占空比D愈大，則輸出電壓愈高。但這類控制IC的結構比有源功率因數校正電路的控制器IC要簡單得多，外接引腳數也少，使用起來十分簡便。
這種電路因為輸入和輸出是電連接在一起的，并無隔離，所以通稱為非隔離型電源變換器。輸入是較低的直流電壓，輸出則是較高的直流電壓，并以恒流方式供給LED使之發光。
由于工作電壓較低，要求開關二極管VD耐壓也較低，一般VD均采用耐壓低而本身壓降較小、開關速度較高的肖特基二極管，由于其正向壓降小，故消耗功率低，有助于提高整個電源的轉換效率。
1.2 電感升壓型變換器的工作原理和波形
該電路的工作過程如下：
?。?）在控制器的控制下，開關管VT導通，在其導通期間（t1=ton），在輸入電壓VI作用下，有電流流過電感L及VT，此時，二極管VD是截止的。電感的電流從初始的谷值IV線性上升。初始值IV可能為零，也可能不為零（見圖2）。如初始值不為零，則為連續導通模式（CCM），如圖2（a）所示；如初始值為零，則為斷續導通模式（DCM），如圖2（b）所示。
圖2 電感升壓型變換器電路各點的工作電流波形
對于圖2（a）的連續導通模式，在VT導通時，其滿足以下關系式：
由于VI及L固定不變，電流上升的速率di/dt為常數，所以，在開關管導通期間（t1或ton），電感電流是線性上升的，由初始值IV向其峰值電流IP增加，在開關管結束導通時，電流達到其峰值IP.即在導通的持續期間Δt=t1=ton內，電流的增量為Δi=IP-IV，Δt=ton，所以：
或：
在開關管導通期間，由于電感電流線性上升，電感中儲存的能量J=L×iL2/2也增加。VT導通時間愈長，電感所儲存的能量也愈多，輸出電壓也越高。
在開關管導通期間，二極管因受電容C上電壓的反偏而截止，負載即電路所驅動的LED由輸出電容C供電，依靠電容的放電電流使之發光。
（2）當電流上升到某一峰值IP時，控制器控制開關管VT使之截止，此后電感電流由其峰值IP經二極管線性下降。由于L有維持其電流不變的能力，在電感上將產生感應電動勢，電動勢的符號為左負右正，它與輸入電壓相疊加，對輸出電容C充電，所以電容電壓即輸出電壓將超過輸入電壓，從而提升了輸出電壓。
開關管VT截止、二極管VD導通的持續時間為t2=toff，在此期間，電流線性下降，并滿足以下關系式VI+Ldi/dt=VO或LΔi/Δt=VO-VI，將Δi=IP-IV，Δt=t2=toff代入，則有：
由式（2）及式（3）消去（IP-IV），可得：
考慮到t1+t2=ton+toff=T為一個開關周期，并令其占空比為D=ton/T=t1/T，則根據式（3）、（4）（5）可得：
以G=VO/VI表示輸出電壓的增益，可得G=VO/VI=1/（1-D）。
根據以上分析，可以得出以下結論：
?。?）由式（6）可知，輸出電壓高于輸入電壓，且與占空比D有關，與D呈非線性關系。增加占空比D，使開關管導通時間t1加長，則電感中儲存的能量增多，顯然，在輸入電壓不變時，輸出電壓VO提升的愈高。
通過對占空比D的調節，可以在輸入電壓變化時，實現輸出穩壓，保持VO不變。
?。?）由圖2可知，與負載串聯的二極管的電流是脈動的、不連續的。流過LED的輸出電流的直流分量等于二極管VD電流的平均值。為了供給LED連續而穩定的電流，在這種電路中，必須在輸出端加輸出電容C。
（3）輸入端的電流等于流過電感的電流，在連續導通模式下，電流是連續的，所引起的電磁干擾要比電子鎮流器中臨界導通模式有源功率因數校正電路的電磁干擾低，也比以后將要介紹的降壓變換器電路的電磁干擾低。在降壓變換器中，輸入電流是脈動的、不連續的，所產生的電磁干擾要大得多。
圖2（a）是連續導通模式（CCM），（b）則是斷續導通模式（DCM）。t1是開關管導通時間，t2是二極管導通時間。不論哪種情況，與負載串聯的、流過二極管的電流都是脈動的、不連續的，都必須加濾波電容加以平滑。
斷續導通模式（DCM）大多出現在電感較小，負載較重，或者開關頻率較低的情況，此時，t1+t2<T（開關周期）?？梢宰C明，如D1=t1/T，D2=t2/T，則有：
在斷續導通模式中，電壓的提升不僅與功率開關管的開通時間t1有關，還與電感的大小、負載電流（
LED電流）大小以及開關頻率有關。
在具體的IC電路中，為簡化控制，或者保持開關管的開關頻率（或開關周期T）約為1MHz左右的定值，或者保持其關斷時間toff為定值，視具體控制電路而定。例如，安森美（On-semi）半導體公司的NCP5007保持toff=320ns；Catalyst半導體公司（該公司已被安森美半導體公司收購）的CAT37則保持開關頻率為1.2MHz.至于開關頻率大小的選擇，要從多方面考慮。提高頻率，可以允許采用較小尺寸的電感和濾波電容，但這樣做之后，電路的損耗變大、效率降低；反過來，降低頻率，可以提高電路的占空比以及輸出電壓，允許驅動較多的LED個數。所以頻率的選擇要折中考慮，不可片面追求某一個參數。
1.3 電感L的選擇
在電感升壓型變換器中，由式（2）可知，當VT導通時有：LΔIL/ton=VI，由此可得：
上式中占空比可按公式D=（VO+VD-VI）/（VO+VD）選擇，式中V0為開關二極管串（可能為1個LED或數個LED）的導通壓降；VD為開管二極管的導通壓降，一般為0.3V，其值較小，有時可略去不計；紋波電流峰-峰值ΔIL則根據輸出電流來設定，一般取ΔIL為輸出直流電流IO的±（20~30）%.
1.4 電感升壓型變換器的優點及缺點
1.4.1 電感升壓式變換器的優點
?。?）效率高，可達到80%~85%，比開關電容升壓式變換器高15%左右。
?。?）由于輸出電壓高，一般可以恒流驅動串聯的LED串，保持其亮度一致。LED可以是一串，或者是先串后并的幾串，根據其輸出功率的大小、LED的電流，確定所能驅動的LED總數。例如美信公司的MAX1848最多可以驅動39只LED。
（3）能在較寬的輸入電壓范圍內保持輸出電流穩定，并做到與LED要求的電流相匹配。
（4）一般電路還具有調光功能（調節LED電流）以及一些保護功能如LED開路保護、短路保護、輸出過壓保護等，視具體芯片型號而定。
1.4.2 電感升壓式變換器的缺點
（1）在電感升壓變換器中需要采用電感升壓，一般電感的體積較大，在整個PCB板中占較大的比例，價格也比阻容元件貴得多。為了降低電感的尺寸，一般都選用較高的開關頻率，約在1MHz附近。這對電感所用的鐵氧體磁芯的要求較高，并要根據流過電感的電流選擇合適的磁芯尺寸，以盡量減少它的渦流損耗和磁滯損耗，降低電感的發熱量。目前已有專門的供應商生產電感量一定、允許通過一定電流的電感。
一般電感的尺寸和厚度均較大，對整個變換器的尺寸和高度來說，電感的尺寸（例如4.1×4.1×1.8mm3）占較大的份額，起決定性的作用。
?。?）電感升壓式變換器所驅動的二極管串中的LED個數受最高輸出電壓的限制，如輸出電壓為40V，串接的白光LED個數不超過13個左右。輸出電流則受輸出功率的限制，在大電流下要考慮PCB銅皮導線的寬度，以免因其電流密度過大而燒毀銅皮導線。
?。?）流過電感輸入端的電流是一些重復頻率很高的三角波，像有源功率因數校正電路一樣會產生比較高的電磁干擾（EMI）。在連續導通模式，輸入電流起伏較小，干擾較輕；在斷續導通模式，輸入電流起伏較大，干擾較重。為滿足對驅動電路的電磁兼容要求，在電路的輸入端需要加抗電磁干擾的濾波電路。
有時，為了防止電磁輻射，電感還要加磁屏蔽。不過在這類電路中，電流三角波的頻率是固定的，尤其在連續導通模式，電流是連續的，起伏較小，且電路的功率較低，所以它所造成的電磁輻射干擾及傳導干擾要比電子鎮流器的有源功率因數校正電路輕得多。
2 電感升壓型變換器芯片舉例
2.1 NCP5007芯片
電感升壓型變換器芯片NCP5007是安森美（On-semi）半導體公司的產品，采用TSOP-5（SOT23-5、SCR59-5）封裝，共有5條引腳。所有引腳都加了防靜電的保護二極管（ESD），以免引腳受靜電干擾而擊穿。
該芯片的主要用途是驅動白光二極管串，作為小屏幕LCD的背光照明用，例如手機的顯示背光照明。
但不具備閃光燈的功能（要用電流為350mA、功率為1W的白光LED做閃光燈）。
2.1.1 NCP5007的特點
NCP5007有以下特點：輸入直流電壓范圍為2.7~5.5V，輸出電壓可達22V，允許驅動5個串聯的LED;可以調整輸出電流的大小、使之與LED的要求相匹配，并保持此電流恒定；在輸入電源電壓變化的情況下，實現LED亮度的自動調整；IC內部有過電壓保護、熱關斷保護；可通過加到FB腳的模擬電壓或PWM信號調節流過LED的電流、對LED進行調光；IC靜態的待機電流很低，只有0.3μA，這可以減少手機電池的功率消耗，延長電池的使用壽命。
2.1.2 NCP5007的引腳功能
NCP5007共有5條引腳，其排列如圖3所示。
圖3 NCP5007的引腳排列
各引腳功能如下：
（1）1腳FB
1腳為反饋信號輸入端。反饋輸入為模擬信號，輸出到LED的電流可以通過連到此腳的檢測電阻加以檢測，檢測電阻的電壓送到IC內部，能自動地使LED電流得到調整。輸入此腳的可以是模擬信號，也可以是脈寬調制（PWM）脈沖信號。改變該腳的電阻或送到此腳的外加電壓信號，可以改變LED的電流，從而調整其亮度（調光）。
連到此腳的檢測電阻如采用誤差為±5%或精度更高的精密電阻，可以準確控制LED的電流（亮度）。
如輸入此腳與地之間的電壓超過700mV，IC內部的比較器將自動關斷NCP5007，使之停止工作。
?。?）2腳GND
2腳是電源及模擬信號的地。必須保證良好接地，避免受火花影響造成誤動作，PCB的走線要足夠寬，免得電流密度過大，將地線燒斷。
（3）3腳EN
3腳是數字信號輸入端。當輸入一個高電平的邏輯信號時，NCP5007開始工作。由于內部接了一個下拉電阻，所以當此腳懸空時，IC不工作；正常工作時，EN必須為高電平，可以直接和電池電源相連。
輸入的邏輯高電平應是標準的1.8V或CMOS邏輯高電平。在此腳加脈寬調制信號，也可以調整LED的亮度。
?。?）4腳VO
4腳是功率輸出端，即變換器的直流電壓輸出端。此腳與升壓電感L和肖特基二極管相連，是一個提升了的直流電壓。變換器工作于恒流輸出，但其輸出電壓最高不能超過22V，一旦輸出電壓超過過電壓（OVP）閾值，IC將進入關斷狀態。要重新啟動它，可以在EN腳加一個由低到高的邏輯信號，或關斷電池電壓后再重新接通。
此腳應用大電容旁路到地，以免過壓保護（OVP）誤動作。電容值在1.0~8.2μF之間，且應當用等效串聯電阻（ESR）小的陶瓷電容器，其ESR<100mΩ。
?。?）5腳Vbat
5腳為電池電源輸入端。外接電池的正極接此腳，此腳應當用高品質的電容旁路到地，可用4.7μF/6.3V、ESR低的電容器，建議用X5R或X7R的陶瓷電容，連接電容器時盡量讓它靠近2、5腳。
升壓電感L應按式（8）來選擇，由設計者根據需要自行設定ΔIL值，它可以為IO的±（20~30）%。
電感L的一端與5腳Vbat相連，另一端則與開關二極管相接。在此電路中，電感L的典型值為22μH.如輸出電流超過20mA，電感的直流電阻最好低于0.15Ω，以免使電源轉換效率降低。采用較大的電感可以使輸出電流更穩定些、紋波更小一些。為了減小電感的尺寸，一般開關頻率都比較高，在1MHz左右。
電感L應采用高頻鐵氧體磁芯，和開關頻率相適應。
磁芯尺寸要能承受一定的額定電流，以免工作時飽和，損耗太大，降低電源轉換效率。
電感雖然是非標件，但在升壓變換器中使用的電感值大多是固定的，目前已有專門的供應商提供各類規格的電感。
2.1.3 用NCP5007組成的驅動LED的電路
圖4是用NCP5007組成的驅動LED的電路，外接元件很少。為了減少損耗，升壓二極管VD1采用肖特基二極管（例如MBR0530），它的導通壓降較小，可以提高整個電路的效率，并具有開關電路所需要的快速恢復的特點。開關二極管只在開關管截止時導通，所承受的最大反峰電壓等于輸出電壓，平均電流等于正常工作時的輸出電流。在一般此類電路中，電流額定值為1A、反向電壓為20V、30V、40V的肖特基二極管都可應用。如Zetex公司的ZLLS400、ZLLS1000、ZHCS400、ZHCS1000，其反峰電壓為40V，平均電流為0.4A、1A.有的IC為簡化外接電路，將開關二極管VD1也集成在IC中，使外接元件數量更少。
圖4中，發光二極管采用串聯連接、恒流驅動，保持LED發光亮度一致。R2為LED電流檢測電阻，改變其阻值，可控制流過二極管的電流和亮度，使輸出電流與LED要求的電流相匹配。在驅動10mA的LED做背光照明應用時，可采用電容C1=4.7μF、C3=1μF，電感L=22μH，VD1為MBR0530，R2=22Ω（LED電流為9mA）。
圖4 由NCP5007驅動LED的電路
圖4電路的工作情形和圖1的說明完全一樣，各點的電流波形和圖2所示也一致。在t1（ton）期間，內部MOS管導通，電流從其初始值IV線性上升，其最大峰值IP為350mA.此時電感儲存的能量隨電流的增大而增加。在t2（toff）期間，MOS管截止，電感電流由其峰值線性下降，電感的感應電動勢和電池電壓相加對電容C3充電，使輸出電壓高于輸入電壓。在t2結束時，電感電流下降到其谷值IV。
在芯片NCP5007中，并沒有一個固定的時鐘頻率，只是讓VT的截止時間（toff）保持不變，其典型值為320ns.設要求輸出電壓VO為22V，電池電壓Vbat=VI的典型值3V，電感為22μH，則根據前面推導的公式（4）有t2=toff=（IP-IV）L/（VO-VI），或ΔI=IP-IV=toff（VO-VI）/L，代入具體數值，得ΔI=IP-IV=320×10-9×（22-3）/22×10-6=276（mA）。根據此最大電流值，可以選擇電感磁芯的尺寸。
已知VT的截止時間（toff），由式（2）、（4）消去IP-IV，可得t1、t2之間關系如式（9）：
從而可求出VT的導通時間t1，代入具體數值，得：
t1=ton =（22-3）×320×10 -9/3=2.02（μs）
最后計算出開關頻率為：
f=1/（ t1+ t2）=1/[（2.02+0.320）×10-6]=427（kHz）
2.1.4 NCP5007對
LED電流的調整
流過LED的電流由圖4中的電阻R2調整。反饋腳FB在IC內部與誤差放大器的反相端相接（見圖4虛線內部框圖），它的同相端接基準電壓Vref=0.2V（為了減少損耗，一般基準電壓都比較低，使R2上的壓降也低，有的IC基準電壓更低，只有0.095V）。根據虛地原理，VR2=Vref=0.2V，從而可得：
改變電阻R2值，可以改變LED的電流。不難算出：
當R2=40Ω、20Ω、13.3Ω、10Ω時，LED的電流ILED分別為5mA、10mA、15mA、20mA.
由于誤差放大器的控制，即便電池電壓發生變化，流過LED的電流也能保持恒定不變，滿足電流匹配的要求。
2.1.5 NCP5007實現調光的方法
對LED的調光，還可以通過給NCP5007的FB腳加直流電壓、經R、C濾波后的PWM信號或邏輯信號來實現，其具體電路如圖5所示。
圖5 NCP5007的三種調光方式
?。?）在FB引腳加可變的直流電壓VDC，隨VDC的增加，R2上的電壓減少，LED的電流下降，亮度降低。
這種調光改變了LED的電流，而LED在不同的電流下發出光的顏色是不同的，因此這種調光方法可能會引起色偏。
?。?）將PWM信號用RC濾波后加到FB腳，PWM信號的頻率為5~40kHz，利用PWM的電壓信號使LED導通和關斷，LED電流在零和額定電流之間切換。它不改變LED的電流幅值，而只改變電流脈沖的寬度，即改變其占空比，以調節電流的平均值來調光。只要PWM調光的頻率足夠高，人眼沒有閃爍感覺就可以了，它能夠避免出現色偏的缺點，其調光范圍大于20∶1。
（3）將邏輯信號加于MOS管的柵極，當MOS管導通時，由電阻R1確定LED電流，當管子截止時，由R2確定原來的LED電流，維持原來的電流不變。
以上這幾種調光方法在其它的IC電路中也有采用。它的優點是比較簡單。直流電壓調光是通過調整流過LED的電流大小來調節亮度的，在調節電流后，LED不能始終在最佳的效率點工作；而且，LED在不同的電流下發出光的顏色也會不同，所以調光后會出現色偏（通過改變電流以特意改變LED的顏色的情況除外）現象，這是它的缺點，顯然不及用較高頻率的PWM調光好。
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