介绍一款控制介绍一款控制LED亮度的简单解决方案亮度的简单解决方案
本文介绍一款使用一个PWM信号来控制其亮度的简单的解决方案。与其他标准解决方案相比,该解决方案的另
外一个优势就是其更高的效率。
0 引言
LED(Light EmittingDiode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体
的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由
两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连
接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟
空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色,是由形成P-N结材料决定
的。
LED(Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的半导体,它改变了白炽灯钨丝发光与节
能灯三基色粉发光的原理,而采用电场发光。据分析,LED的特点非常明显,寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱
几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可超过150lm/W(2010年)。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯
进行对比,结果显示:普通白炽灯的光效为12lm/W,寿命小于2000小时,螺旋节能灯的光效为60lm/W,寿命小于8000小
时,T5荧光灯则为96lm/W,寿命大约为10000小时,而直径为5毫米的白光LED光效可以超过150lm/W,寿命可大于100000
小时。有人还预测,未来的LED寿命上限将无穷大。
由于为白光LED供电的最佳选择是选用一个恒流电源,且锂离子电池的输入电压范围低于或等于LED正向电压,因此就需要一
款新型电源解决方案。本文介绍一款使用一个PWM信号来控制其亮度的简单的解决方案。与其他标准解决方案相比,该解决
方案的另外一个优势就是其更高的效率。
1 任务
一旦为白光LED选定了电源以后,对于一个便携式系统来说,其主要的要求就是效率、整体解决方案尺寸、解决方案成本以及
最后一项但非常重要的EMI(电磁干扰)性能。根据便携式系统的不同,对这些要求的强调程度也不尽相同。效率通常是关键
的设计参数中最重要或次重要的考虑因素,因此在选择电源时,要认真考虑这一因素。图1示显示了白光LED电源的基本电
路。
该锂离子电池具有一个介于2.7V~4.2V的电压范围。该电源的主要任务是为白光LED提供一个恒定的电流和一个典型的3.5V
正向电压。
2 与充电泵解决方案相比,升压转换器可实现更高的效率
一般来说,用于驱动白光LED的电源拓扑结构有两种:即充电泵或开关电容解决方案和升压转换器。这两款解决方案均可提供
较高的输出和输入电压。二者主要的不同之处在于转换增益M=Vout/Vin,该增益将直接影响效率;而通常来说,充电泵解决
方案的转换增益是固定不变的。一款固定转换增益为2的简单充电泵解决方案通常会产生比LED正向电压高很多的电压,如方
程式(1)所示。其将带来仅为47%的效率,如方程式(2)所示。
式中Vchrgpump为充电泵IC内部产生的电压,VBat为锂离子电池的典型电池电压。充电泵需要提供一个恒定的电流以及相当
于LED3.5V典型正向电压的输出电压。通常,固定转换增益为2的充电泵会在内部产生一个更高的电压(1),该电压将会导
致一个降低整体系统效率的内部压降(2)。这样就可以在电池电压稍微高于LED电压时实现在90%~95%效率级别之间运
行,从而充许使用增益值为1的转换增益。方程式(3)和方程式(4)显示了这一性能改进。
当电池电压进一步降低时,充电泵需要转换到1.5增益,从而导致效率下降至60%~70%,如示例(5)和(6)所示。