鋰電池供電、低壓高亮度(HB) LED解決方案 - 全文

　　摘要：高亮度(HB) LED是電池備份照明中的優(yōu)選方案，特別是應(yīng)急照明設(shè)備。然而，將高效率LED光源與高容量、單節(jié)Li+電池組合在一起時(shí)會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)。本應(yīng)用筆記介紹了利用MAX16834 HB LED驅(qū)動(dòng)器從低壓電源產(chǎn)生HB LED驅(qū)動(dòng)的實(shí)用方案。

　　　概述

　　高亮度(HB) LED目前已廣泛用于各種照明設(shè)備，其光輸出量(發(fā)光效率)通常以流明/瓦為單位計(jì)量，已經(jīng)超過(guò)了熒光燈的發(fā)光效率?？煽啃约鞍踩匦允沟肏B LED成為電池備份照明系統(tǒng)(應(yīng)急照明等)的優(yōu)選方案。

　　隨著LED制造技術(shù)以及電池技術(shù)的進(jìn)步，目前最高容量的鋰離子(Li+)電池能量密度可以達(dá)到750kJ/kg左右;鎳氫(NiMH)電池的能量密度略低一些，大約為200kJ/kg (而汽油的能量密度為44MJ/kg)。單節(jié)Li+電池的端電壓約為3.7V，要想直接驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián)的LED，則需把多節(jié)電池串聯(lián)在一起，但這會(huì)帶來(lái)功率分配等設(shè)計(jì)問(wèn)題，用戶也往往首選單節(jié)電池供電的方案。

　　采用高容量、單節(jié)Li+電池驅(qū)動(dòng)高效率LED光源時(shí)，由于電池電壓僅為3V至4V，需要解決電源轉(zhuǎn)換問(wèn)題。本應(yīng)用筆記介紹了Maxim MAX16834 HB LED驅(qū)動(dòng)器從低壓電源產(chǎn)生HB LED燈串驅(qū)動(dòng)的解決方案。

　　采用連續(xù)boost模式驅(qū)動(dòng)LED燈串時(shí)效率低下

　　以常見(jiàn)的boost配置拓?fù)錇槔?，例如：?biāo)準(zhǔn)的MAX16834 HB LED驅(qū)動(dòng)器評(píng)估板(EV) MAX16834EVKIT (圖1)。

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　　圖1. 常見(jiàn)的HB LED驅(qū)動(dòng)器boost配置

　　為了向開(kāi)關(guān)MOSFET提供足夠的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，MAX16834要求工作電壓至少為4.5V，以便MOSFET進(jìn)入低阻導(dǎo)通狀態(tài)。對(duì)于采用n溝道FET工作在boost模式的HB LED驅(qū)動(dòng)器，這者要求很常見(jiàn)。

　　單節(jié)Li+電池的驅(qū)動(dòng)電壓可能低至3V，無(wú)法支持電路中FET及其它電路的正常工作。這就需要將電池電壓提升到較高電壓，器件即可正常工作。

　　首先，驅(qū)動(dòng)電路提升電池電壓用于控制器供電，然后再為L(zhǎng)ED燈串提供所要求的驅(qū)動(dòng)電流，這種架構(gòu)會(huì)在一定程度上增大功耗，進(jìn)而影響電池的使用壽命。因?yàn)榭傮w效率是每一級(jí)效率的乘積，例如，如果升壓效率為70%，而控制級(jí)的效率為70%，那么總體效率只有大約50%。

　　本文介紹的方案采用低成本、低功耗boost轉(zhuǎn)換器為評(píng)估板中的HB LED驅(qū)動(dòng)器提供穩(wěn)定的5V電源。同時(shí)，由電池直接驅(qū)動(dòng)FET boost轉(zhuǎn)換器。這種方式下，只對(duì)電池進(jìn)行一級(jí)升壓，即可為L(zhǎng)ED燈串供電。

　　Boost轉(zhuǎn)換器同時(shí)為L(zhǎng)ED燈串和FET供電

　　MAX16834是一款通用的HB LED驅(qū)動(dòng)器，允許通過(guò)模擬和脈寬調(diào)制(PWM)進(jìn)行調(diào)光。器件可實(shí)現(xiàn)升壓、升/降壓、SEPIC和高邊buck拓?fù)?。除了?qū)動(dòng)由開(kāi)關(guān)控制器控制的n溝道功率MOSFET開(kāi)關(guān)，器件還可驅(qū)動(dòng)n溝道PWM調(diào)光開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)LED PWM調(diào)光。器件集成了寬范圍調(diào)光、固定頻率HB LED驅(qū)動(dòng)所需的全部電路。

　　需要對(duì)MAX16834EVKIT進(jìn)行一些更改，該設(shè)計(jì)中使用了MAX8815A boost轉(zhuǎn)換器。其評(píng)估板默認(rèn)設(shè)置為5V輸出，無(wú)需更改標(biāo)準(zhǔn)電路(圖2)。

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　　圖2. MAX8815AEVKIT提供所需的5V輸出，無(wú)需更改電路

　　方案設(shè)置

　　整個(gè)電路用于驅(qū)動(dòng)6只Seoul Semiconductor P7 LED組成的燈串，可提供高達(dá)1A的驅(qū)動(dòng)電流。雖然LED可以通過(guò)大于1A的電流，但標(biāo)準(zhǔn)MAX16834評(píng)估板的最大電流為1A，足以支持設(shè)計(jì)分析。圖3所示為HB LED驅(qū)動(dòng)器和升壓轉(zhuǎn)換器配置。

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　　圖3. MAX16834 HB LED驅(qū)動(dòng)器和MAX8815A升壓轉(zhuǎn)換器

　　為了消除電池放電期間對(duì)電壓的影響或電池阻抗的升高，可采用大電流、低電壓電源代替電池，從而使輸入電壓保持基本穩(wěn)定，通過(guò)改變LED驅(qū)動(dòng)電流改變系統(tǒng)負(fù)載。

　　測(cè)量輸入和輸出的電流、電壓，得到5V、4V和3V電源下系統(tǒng)的性能參數(shù)，這些數(shù)據(jù)模擬單節(jié)Li+電池的預(yù)期電壓范圍。測(cè)量輸入和輸出電流需要獨(dú)立校準(zhǔn)的數(shù)字電壓表(DVM)，當(dāng)然也有替代方案?？衫肕AX9938電流檢測(cè)放大器評(píng)估板測(cè)量輸入電流，采用非常小的檢流電阻，將其引入的測(cè)量誤差降至最小。標(biāo)準(zhǔn)分流器為50mΩ、4端電阻，采用6個(gè)100mΩ電阻并聯(lián)在其兩端，得到12.5mΩ檢流電阻(圖4)。

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　　圖4. MAX9938EV標(biāo)準(zhǔn)分流器為50mΩ、4端電阻(R1)。利用6個(gè)100mΩ電阻并聯(lián)R1，得到12.5mΩ檢流電阻。

　　因此，評(píng)估板從2.5V/A轉(zhuǎn)換為625mV/A，這樣，即可用同一DVM測(cè)量所有電壓。

　　利用同一數(shù)字電壓表(DVM)，通過(guò)測(cè)量評(píng)估板上0.1Ω串聯(lián)電阻的電壓，即可確定輸出電流。這一方法確保所有電流、電壓讀數(shù)均通過(guò)電壓測(cè)量確定。使用同一DVM完成所有測(cè)量，從本質(zhì)上抵消了測(cè)試裝置的校準(zhǔn)誤差，系統(tǒng)測(cè)試如圖5所示。

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　　圖5. 系統(tǒng)框圖

　　將電壓測(cè)量結(jié)果輸入Excel?電子表格，計(jì)算輸入/輸出電流及輸入/輸出電壓測(cè)量值，繪制三種電源電壓下的系統(tǒng)效率(表1和圖6)。
表1. 性能測(cè)試結(jié)果

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　　圖6. MAX16834 HB LED驅(qū)動(dòng)器在三種電壓下的性能數(shù)據(jù)

　　測(cè)量時(shí)，負(fù)載從零(全部LED熄滅)增大至評(píng)估板滿載(LED燈串電流最大約1A)。數(shù)據(jù)表明，電壓較低時(shí)，提供給輸出的功率減小。這是因?yàn)檩斎腚娫磳⑾到y(tǒng)的輸入電流限制為4A，電池源通常也存在此類限制。

　　結(jié)論

　　對(duì)電路進(jìn)行少許修改，MAX16834可用于驅(qū)動(dòng)HB LED燈串。即使在電池電壓低至3V時(shí)，總體轉(zhuǎn)換效率也可維持在大約90%或以上。能夠幫助工程師采用最新技術(shù)、高容量Li+電池提供照明解決方案，避免多級(jí)電源轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的效率低下問(wèn)題，有助于延長(zhǎng)電池使用壽命。