利用LED驅(qū)動器延長便攜設(shè)備的電池壽命

便攜式產(chǎn)品制造商一直在尋找降低電力需求的方法，以最大限度地延長電池壽命。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以及諸如移動電話等智能設(shè)備的普遍使用，用于網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)控目的，對提高電源效率的需求變得更加迫切。便攜式設(shè)備上的LED背光可以占有效系統(tǒng)總功率的很大一部分。單獨的LED背光驅(qū)動器可以使用高達40％，使其成為節(jié)能工作的主要目標。

采用各種技術(shù)來最小化背光功耗。選擇針對低功耗和高效率進行優(yōu)化的LED驅(qū)動器IC是一個明確的起點。諸如環(huán)境光傳感器和動態(tài)背光控制以及調(diào)光等技術(shù)可以為節(jié)省電池電量做出重要貢獻。

圖1：動態(tài)背光控制使用調(diào)光以節(jié)省電池電量，例如在黑暗中使用智能手機時。

本文將考慮通過高級設(shè)計和明智選擇LED驅(qū)動器可以做出的貢獻。仔細研究的因素包括拓撲結(jié)構(gòu)，支持額外節(jié)能技術(shù)所需的特性，以及它們對效率和電路尺寸的影響。

將參考Richtek RT9285升壓轉(zhuǎn)換器，適用于單個電池的操作鋰離子電池和德州儀器（TI）的LM3530電流模式升壓轉(zhuǎn)換器可驅(qū)動單串最多11個LED，LM3532和LM3697驅(qū)動三個LED串。

超低功耗和可穿戴設(shè)備，帶有電荷泵的低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，如Richtek的RT9361，是一種選擇，或降壓 - 升壓穩(wěn)壓器，包括Intersil的RT6150A/B或ISL9111。

Boost是最佳

恒流升壓轉(zhuǎn)換器通常被認為是為電池供電應(yīng)用中用于顯示器背光的LED供電的最佳節(jié)能設(shè)備。有許多此類器件的供應(yīng)商，其中一些已經(jīng)制作了一些有用的應(yīng)用指南，以幫助設(shè)計人員最大限度地降低功耗并提高效率。

恒流轉(zhuǎn)換器很重要，因為LED需要用特定電流驅(qū)動保持特定的光輸出。升壓轉(zhuǎn)換器用于將輸入電壓升壓至更高的輸出電壓。德州儀器（TI）在其許多器件數(shù)據(jù)表中提供設(shè)計，并在文章中提供：降低背光功耗的整體方法 1 。

通常，文章指出，電感式升壓拓撲用于驅(qū)動串聯(lián)運行的LED，而開關(guān)電容器方法是并聯(lián)LED架構(gòu)的選擇。開關(guān)電容器裝置往往限于固定數(shù)量的電壓增益，并且存在過度升壓的風(fēng)險，但它們具有最小化所需外部元件數(shù)量的優(yōu)點。相反，電感式升壓轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生支持LED串所需的精確升壓增益。

另一位電源管理專家Richtek在題為“電源管理簡介 2 ，電感式升壓轉(zhuǎn)換器通過內(nèi)部Mosfet開關(guān)對電感充電，并在Mosfet開關(guān)關(guān)閉時通過整流器將電感放電至負載。從電感器充電到放電的過渡將使電感器兩端的電壓反向，從而使電壓升高到高于VIN。 Mosfet開關(guān)的額定電流和升壓比將決定最大負載電流，Mosfet額定電壓將決定最大輸出電壓能力。在一些升壓轉(zhuǎn)換器中，整流器集成為Mosfet以提供同步整流。

TI建議通過最小化Nmos電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻和串聯(lián)電阻來優(yōu)化電感式升壓轉(zhuǎn)換器。電感器。然而，與具有相同電感值的較大電感器相比，較小電感器通常具有較高電阻。增加升壓開關(guān)頻率可以允許使用較低值的電感器，但也會增加開關(guān)損耗。

TI建議，選擇具有低正向?qū)妷海╒F）的肖特基二極管將提高升壓效率;雖然設(shè)計人員被警告說低VF肖特基二極管通常比具有更高電壓的二極管更大。此外，與串聯(lián)背光驅(qū)動器相關(guān)的高占空比（》 80％）將最大限度地降低低VF二極管的影響，因為器件僅在一小部分開關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)通。

在串聯(lián)轉(zhuǎn)換器中，需要一個電流吸收器來控制通過每個LED串的電流。為了進一步提高效率，TI建議，電流源調(diào)節(jié)電壓應(yīng)設(shè)置為略高于電流源的凈空（或壓差）電壓的電平。這可以防止由于輸入電壓的下降和/或輸出電容的充電/放電周期引起的輸出電壓紋波引起的LED串中的電流變化。

動態(tài)背光

對于耗電量大的便攜式設(shè)備，例如智能手機，制造商越來越多地采用環(huán)境光傳感器：環(huán)境越暗，顯示器所需的光輸出越少。通過這種方式可以顯著減少從電池汲取的電力。 TI指出，設(shè)計人員可以設(shè)置五個亮度等級的用例，對應(yīng)于陽光，戶外陰天，室內(nèi)明亮，昏暗的房間和夜晚。亮度水平可以設(shè)置為100％至50％，相當(dāng)于LED驅(qū)動電流從25 mA降至12.5 mA。

另一種選擇是建立用戶可調(diào)節(jié)的顯示亮度選項，鼓勵用戶確定他或她在顯示亮度和電池壽命之間的妥協(xié)。然而，最近，設(shè)計師開發(fā)了動態(tài)或內(nèi)容調(diào)整的背光控制功能。在這種情況下，亮度級別取決于所顯示信息的類型。例如，在觀看視頻內(nèi)容時，動態(tài)背光控制器可以自動調(diào)節(jié)亮度等級以節(jié)省電力。不可避免地會對圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，但設(shè)計人員可以確定降低功耗和保持圖像質(zhì)量之間的最佳點。

在所有這些情況下，LED驅(qū)動器應(yīng)提供靈活的調(diào)光支持，需要控制輸出電流，從而控制LED光輸出。提供不同的調(diào)光技術(shù)，包括模擬和PWM調(diào)光

功能和權(quán)衡

雖然有大量基于升壓的LED驅(qū)動器可供選擇，但選擇取決于應(yīng)用的性質(zhì)。 Richtek總結(jié)了選擇LED驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)：輸入電壓，LED串電壓和LED串電流，單/多串LED和調(diào)光要求。 TI強調(diào)了在性能折衷方面需要關(guān)注的關(guān)鍵規(guī)格，即：開關(guān)頻率和電感值/尺寸。

讓我們簡單介紹一些適用于為背光顯示器和鍵盤供電的LED器件在電池便攜式產(chǎn)品中。

圖2：Richtek的RT9285高頻升壓轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路。

Richtek的RT9285是一款高頻異步升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)置二極管，最多可支持五個白光LED，用于背光。該器件采用1 MHz固定開關(guān)頻率和4至5 W LED工作;推薦的電感值為10至22μH。在2.7至5.5 V VIN范圍內(nèi)，效率高達85％。功能包括具有零浪涌的數(shù)字調(diào)光，但也可以實現(xiàn)PWM調(diào)光控制。通過設(shè)置電流檢測電阻來調(diào)節(jié)LED電流（5至20 mA，分5步），為了提高精度，建議使用精密電阻。

對于較大的顯示器，驅(qū)動多達11個串聯(lián)的白光LED，一根井經(jīng)過驗證的解決方案是德州儀器公司的LM3530。該器件的開關(guān)頻率為500 kHz，在2.7至5.5 V輸入電壓范圍內(nèi)效率為90％。 LED電流可通過I 2 C兼容接口調(diào)節(jié)，工作電壓范圍為0至29.5 mA，具有127個電流階躍和8個最大電流電平。提供帶有內(nèi)部設(shè)定電阻的可編程雙環(huán)境光傳感器輸入，并且該設(shè)備支持內(nèi)容調(diào)整的背光功能。提供外部PWM輸入以進行線性亮度調(diào)整。

圖3：TI LM3532基于升壓的LED驅(qū)動器的功能框圖。

《 p》更高版本的LM3532設(shè)計用于驅(qū)動三個并聯(lián)的高壓LED串，電壓為40V。具有相同的規(guī)格，聲稱效率高達90％，它提供三個高壓，低電壓的電源。側(cè)電流吸收并使用自適應(yīng)電流調(diào)節(jié)方法來支持每個電流吸收器中的不同LED電流。

調(diào)光技術(shù)的進一步發(fā)展產(chǎn)生了TI的LM3697;再次使用升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動多達三個并聯(lián)的高壓LED串，但這次采用11位指數(shù)調(diào)光。結(jié)果是亮度級別之間的轉(zhuǎn)換更均勻。有趣的是，該設(shè)備提供兩種開關(guān)頻率設(shè)置。在500 kHz時，由于降低的開關(guān)損耗，在較輕負載條件下效率被認為更好。在此模式下，電感必須介于10和22μH之間。但是，在1 MHz時，效率在較高負載條件下得到優(yōu)化，從而降低了MOSFET和電感器的導(dǎo)通損耗。在這種情況下，電感值可以介于4.7和22μH之間。

可穿戴設(shè)備的降壓 - 升壓

可穿戴設(shè)備和超低功耗設(shè)備可以從不同的方法中受益。 Richtek建議使用電荷泵設(shè)備，例如不需要外部電感的RT9361A，或降壓 - 升壓拓撲。當(dāng)電池電壓低于穩(wěn)壓輸出電壓值時，降壓 - 升壓可延長電池壽命。該公司的RT6150A/B值得在此進行調(diào)查。 Intersil還專注于可穿戴設(shè)備的電源管理設(shè)備，并推薦降壓 - 升壓。查看ISL91110，聲稱對于最大限度地提高單節(jié)鋰離子電池的能量利用率非常有用，該電池在低于系統(tǒng)電壓的電壓下具有顯著的容量。

結(jié)論

最大化電池生命仍然是便攜式設(shè)備設(shè)計者的首要考慮因素，這些設(shè)備將用于蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)市場。最小化點亮顯示器所需的功率是一個關(guān)鍵目標?；贐oost的LED驅(qū)動器可以做出有價值的貢獻，但設(shè)計人員需要了解效率，開關(guān)頻率，電感器尺寸和元件數(shù)量方面的權(quán)衡，這將取決于特定應(yīng)用中預(yù)期的負載水平。