LED驱动器设计实例

多功能移动电话显示屏的白光LED驱动器的电源是由输入电压在2。7～4。2V之间的锂离子电池供应的。移动电话显示屏内置了4个串联的白光LED，每个LED的最大正向电流为20mA，这种设计需要⒛mA的最大输出电流和4×4V＝16V的输出电压。该移动电话要求具有显示屏亮度调整功能，即希望移动电话在闲置一段时间后，能够逐渐降低屏幕亮度。电路中的系统处理器负责提供PWM调光功能所需的数字信号。在实际设计中，电池的使用寿命是主要考虑因素，因此应尽量提高效率。移动电话显示屏大约有98％的时间处于待机模式，因此需要白光LED驱动器具有负载切断功能，以便延长电池的使用时间。由于移动电话会受到体积限制，故需要小型的集成化解决方案。

在实际设计中采用TPS61043能满足上述要求。TPS61043是电感式升压变换器，其内置有功率MOSFET管，它也是专为驱动白光LED而设计的驱动器。TPS61043还提供了负载切断、过电压保护和PWM调光功能。TPS61043的开关频率为1MHz，设计中可使用体积最小的外部元器件。

（1）检测电阻的选择

采用TPS61043构成白光LED驱动器的外部电路的设计关键主要是如何正确选择外部元件，同时完成适当的电路布局。电流检测电阻值是用TPS61043的参考电压0。252V除以所要求的白光LED最大电流0。02A来决定的，即电流检测电阻值为12。6Ω，电阻的功耗为5mW，因此可选择0402型电阻器以节省电路板面积。

（2）电感的选择

选择适当的电感不仅可确保设计的符合要求，而且也能满足有限的电路板面积要求。选择电感时必须考虑的三项参数有：电感值、饱和电流和线圈阻抗（DCR）。如同所有的开关式变换器一样，选择电感就是在效率和电路板面积间做出折中，较大的电感值可提供更小的阻抗、更高的效率和更大的饱和电流额定值；较小的电感则使用了较少的电路板面积，饱和电流额定值也较小，但线圈阻抗却比较大，因此整体效率较低。

在传统的升压变换器中，输出电感和电容会决定变换器的反馈回路是否稳定，因此被选中的电感、电容和补偿网络的器件都必须经过测试，以确保电路能够稳定工作。由于TPS61043采用了先进的控制电路，因此无论采用多大的电感值，电路都能确保工作稳定，因此不必考虑反馈补偿的问题。在这个控制电路中，开关频率F，是由电感值、输入电压、输出电压和负载电流决定的，其计算公式如下。

式中，IOUT是白光LED的电流（最大值为0。02A）；UOUT是输出电压（最大值为16V）；UIN是输入电压（最小值为2。7V）；UF是逆向电压保护二极管的正向电压，取0。4V；Ilim是峰值开关电流（为0。4A，由控制拓扑决定）；LOUT是电感值；100的单位是纳秒（ns）。

由于电感体积是重要的设计参数，则开关电路应使用高的开关频率，但由于电感式变换器的开关损耗会受到开关频率的影响，因此频率越高通常就代表效率越低。而较低的开关频率可以提供较高效率。究竟要如何选择最适当的开关频率，才能将变换器开关损耗减至最少，这个问题目前仍没有一个最终方程式可求解出答案来。

典型的设计步骤是选择一个接近最大可能的工作频率，然后重新调整开关频率和测量工作效率，直到其参数达到满意为止。如将开关频率任意设为700kHz，然后利用公式（2-7）计算出电感值为4。8μH，则实际电路应采用4。7μH的电感值。

无论电源或负载的状况如何，TPS61043控制电路都会将电感的峰值电流设为400mA，因此可将电感的饱和电流设为400mA。电感线圈的阻抗决定了电感的体积，并且对设计的整体效率有重大影响。本电路选用的电感的是饱和电流为650mA的4。7μH电感，线圈阻抗为150mΩ（LQH32CN4R7），这个电感的体积仅只有8。2cm×2。5cm×1。55cm，故符合设计要求。

输入电容能稳定电源的输入阻抗，这在电池供电型电子设各中极为重要。因为在电源的开关频率下，所有电池都会有很高的阻抗，若没有输入电容，开关式电源以脉冲形式自输入端汲取电流时，就会在输入电源线路上产生很大的电压纹波，进而影响系统其他部分电路的正常工作。TPS61043应使用4。7μF的陶瓷输入电容，但也可以使用更大的电容值。较小的电容值可以节省电路板面积和成本，但会增加输入的纹波电压。在不增加输入电容的前提下，减少输入纹波电压的方法之一是提高驱动器的开关频率，这可通过减少电感值来完成；在较高的开关频率下，电容阻抗变得较小，这能降低输入的纹波电压。

开关式升压变换器的输出电容的容量会直接影响输出纹波电压。由于电压对于白光LED驱动电路并不重要，因此可以使用低至0。1μF的输出电容。这么小的输出电容确实会造成很大的纹波电压，它会让白光LED出现很大的纹波电流。但因纹波电流并不会对白光LED造成什么影响，且LED的亮度是由白光LED的平均电流决定的，故任何频率在100Hz以上的纹波电流都不会被眼睛察觉。假设白光LED电流波形的波峰为30mA，波谷为10mA（平均为⒛mA），那么它所产生的LED亮度会和与LED通过20mA直流电流时产生的亮度完全相同。输出电容应使用陶瓷电容，其电压额定值应该高于变换器的输出电压，若输出电压为16V，则应选用额定电压为16V的电容，即使在故障情形下，输出电压也只会上升至19V，因陶瓷电容在两倍的额定电压下才会损坏，所以16V的输出电容仍在可接受范围内。对于要求使用寿命长或可靠性很高的产品，在设计时应选用电压额定值较高的输出电容。图2是如图1所示的白光LED驱动器的电压和电流波形。

图2图1的白光LED驱动器的电压和电流波形

（4）布局布线

正确选择白光LED驱动器，并为其设计外部器件，都只是电路设计过程的一部分。白光LED驱动电路必须正确布局和布线，才能保证驱动器正常工作，而且不会产生过多的系统噪声。在布局和布线中，最重要的布局约束条件为：从VD1经过输出电容到地，再进入TPS61043的地线引脚，然后从TPS61043的SW引脚离开，最后再回到VD1的回路布线，这个回路应该越短越好；C1的位置必须靠近L1，以提供如图2中波形A所示的脉冲电流，此电流从C1出发，经过L1到地线，然后再回到C1，这个物理回路面积应尽量缩小。图2中的波形B是开关结点的电压，它会以每秒60万次的速度在地电位和输出电压之间切换，因此这个电路网络应该越短越好，以减少任何可能的电磁辐射；图2中的波形A的电流会被分成波形C和D，这两个路径上的电流都非常不连续，因此路径长度必须尽量缩短，以减少电磁辐射和电路板的电压波动；输出电容的位置应很靠近电源端，而不是靠近LED，这样所有的开关电流都将局限在电源端。由于电流是从电源流向白光LED的，故图2中的波形E几乎是直流，LED端也不需要电容滤波。如果输出电容的位置靠近白光LED，电流就拿在两块电路板之间流动，使系统噪声增加。