可调充电泵为电池供电设备提供良好LED驱动

2005年03月01日

可调充电泵是驱动LED的优良解决方案,并很容易在PCB板上实现。当选择这种器件时,需要考虑的一些关键参数包括输出电流大小、输入电压范围、上电顺序、开关频率和低噪声工作性能。

白光LED现已广泛应用于手持设备(如手机)上作为彩色LCD屏的背光以及键盘灯。彩色LED是向用户报告来电和电池充电情况的良好指示器。LED的亮度与通过电流成正比,而且电压必须足够高以使它们导通。现在最流行的电池是锂电池,其电压通常为3.6V左右,但随着电池放电,电压会下降。基于这些原因,LED不能直接用这种电池供电,还需要一个可调升压转换器。可调充电泵解决方案十分流行,特别是在总输出电流低于100mA的简单和低成本应用中。

图1:可调输出充电泵的应用。

不同电流驱动不同LED

输出可调充电泵,如Catalyst公司的CAT3200-5,是理想的LED驱动器之一,能在实现5V稳压输出的同时提供最高达100mA的负载电流。用于LCD背光的白光LED的电流通常为20mA,此时正向电压V_F约为3.4V。每个LED上的电流通过串联电阻来设置,该电阻也称为镇流电阻(见图1)。这种结构允许在LED上并行地通过不同电流。较大的电阻值意味着LED上较小的电流。可用公式1来很好地近似得出LED上的电流(忽略互连损耗)。

公式1:V_OUT=V_F+(LED电流×R_S)

其中,V_F是LED的正向电压,R_S是串联电阻。

输出电压V_OUT稳定在5V,考虑到当正向电压V_F为3.4V时LED上的电流为20mA,则R_S=(5V-3.4V)/20mA,即80欧姆。在这个例子中,采用了3个白光LED作为显示屏的背光,2个彩色LED(分别是红色和蓝色)作为指示器。每个彩色LED具有不同的正向电压特性。红色LED的正向电压很低,通过20mA的电流时电压通常为2.8V。由于指示器LED不用于照明,所以其电流比背光LED更小。

图2:可调电流充电泵的应用

CAT3200-5充电泵是一种倍压器,只需要一个大电容作为蓄积容器,将电荷从输入转移到输出。这里推荐使用1μF的陶瓷电容。所需的所有外部元件就是另外两个1μF电容,分别置于输入和输出管脚。

市场上还存在其它的LED驱动器实现方案,如电感升压或电流控制的充电泵。电感升压驱动器采用一个电感将输入电压升高以驱动几个串联的LED,它的优点是能在这些LED上提供相同的电流,但这种结构不适合上述应用实例。另一类LED驱动器就是电流控制的充电泵(图2),通过使用片上电流调节器,单独的LED通道可驱动一个LED。在这种情况下,LED上电流的大小由外部电阻来设置。在更复杂的驱动器中,通过数字接口可将它编程到芯片里面去。这种结构的好处是不再需要镇流电阻了。既然所有LED上的电流都是一样的,所以这种解决方案也不适合我们讨论的应用。

浪涌电流

图3:电源带有串联电阻的电气原理图。

最关键的问题常出现在系统上电时。当“使能”输入管脚的信号从逻辑低向逻辑高转换时,器件导通并开始向大电容充电。结果在很短时间内输入电流急剧增大,产生所谓的“浪涌”电流。用来描述电源管理芯片优点的一个指标就是在监控输入电流方面表现怎么样。高浪涌电流带来的风险是内部轨电压(V_RAIL)瞬间下降并影响系统运行。轨电压的下降是电源输出阻抗R_S和互连阻抗R_INTER的函数(见图3)。

系统轨电压的计算公式为:V_RAIL=V_BAT-I_IN×(R_SINTER,

其中,V_BAT为电池电压,I_IN为输入电流。举例来说,若串联电阻总和为1.5(,浪涌电流为0.5A,则轨电压为:V_RAIL=3.6V-(0.5A×1.5欧姆)=2.85V。