低損耗LED驅(qū)動(dòng)器通過提高效率、延長(zhǎng)電池壽命加快系統(tǒng)的綠色進(jìn)程

摘要：現(xiàn)今有很多不同的方案可以為高亮度LED (HB LED)供電。由于多數(shù)系統(tǒng)采用電池供電，能效成為延長(zhǎng)電池使用壽命和系統(tǒng)工作時(shí)間的關(guān)鍵。提高電池的使用效率還有助于加快系統(tǒng)的“綠色”進(jìn)程。在電池的有效使用期限內(nèi)，相同充電次數(shù)下，延長(zhǎng)兩次充電之間的時(shí)間間隔有可能使電池的有效使用時(shí)間延長(zhǎng)數(shù)百小時(shí)。這意味著送到垃圾填埋場(chǎng)或危險(xiǎn)廢物處理場(chǎng)進(jìn)行銷毀的電池?cái)?shù)量會(huì)大大降低。

低功耗照明的驅(qū)動(dòng)器通常采用簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器，將其配置成恒流模式(圖1a)。線性穩(wěn)壓器具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。然而，其主要缺點(diǎn)在于功耗較大，因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)，多余的電壓通過檢流電阻和調(diào)整管本身的發(fā)熱耗散掉。這樣的熱損耗還嚴(yán)重阻礙了系統(tǒng)的“綠色”進(jìn)程。熱損耗越大，對(duì)冷卻裝置(風(fēng)扇或大金屬散熱器)的要求越高，消耗的能量也越多，并會(huì)占用更大的空間和重量，同時(shí)也意味著材料成本和制造時(shí)間的增加。

一種替代的解決方案是采用開關(guān)模式調(diào)節(jié)架構(gòu)，例如buck或boost調(diào)節(jié)器(圖1b)。這類調(diào)節(jié)器通常需要一個(gè)0.8V至1.3V的反饋電壓，用于調(diào)節(jié)流過LED的電流。用來建立該電壓的電流測(cè)量電路通常是與LED串聯(lián)的一個(gè)小電阻。電阻兩端的電壓作為反饋電壓，可以為L(zhǎng)ED維持恒流供電。這種架構(gòu)降低了調(diào)節(jié)器本身的損耗，但檢流電阻的功耗使系統(tǒng)損耗仍然存在。


圖1a. 簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓架構(gòu)由于調(diào)整管和電流設(shè)置電阻而存在較大功耗。該電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、沒有任何EMI，但它僅適用于低電壓應(yīng)用，而且存在一定的發(fā)熱。


圖1b. 基本的開關(guān)模式調(diào)節(jié)方案，功耗主要來自檢流電阻的能量損耗。該方案效率極高，并可實(shí)現(xiàn)升壓。不過，電路相對(duì)復(fù)雜并且會(huì)產(chǎn)生EMI。

為了降低檢流電阻的功耗，應(yīng)采用低損耗電流檢測(cè)電路，例如采用電阻/運(yùn)放結(jié)合的方式提供開關(guān)轉(zhuǎn)換器所要求的反饋電壓。可以采用專用的精密檢流放大器，例如MAX9938H，為檢流電阻兩端的電壓產(chǎn)生100V/V的檢測(cè)增益。這一方案能夠把反饋電路的損耗降至幾個(gè)毫瓦，甚至可以采用電路板上的一小段覆銅引線作為小的檢流電阻，成本幾乎為零，由此可見，該方案具有很大吸引力。

在圖2所示電路中，boost轉(zhuǎn)換電路采用了MAX9938H檢流放大器，并使用MAX8815A升壓轉(zhuǎn)換器通過兩節(jié)NiMH串聯(lián)電池為其供電。MAX8815A工作在最高2MHz的開關(guān)頻率下，效率高達(dá)97%。高開關(guān)頻率最大限度減小了外部元件的尺寸；而內(nèi)部補(bǔ)償功能則減少了外部元件數(shù)量，適用于成本和空間敏感產(chǎn)品。該轉(zhuǎn)換器可以在兩節(jié)NiMH或NiCd電池或單節(jié)Li+/Li聚合物電池供電時(shí)產(chǎn)生3.3V至5V的輸出電壓。


圖2. 從圖1b衍生而來，采用諸如MAX9938H的檢流放大器將檢流電阻的功耗降至幾個(gè)毫瓦。相比圖1電路幾百毫瓦甚至更大的損耗，該電路的功耗降低了許多。

MAX8815A具有兩種工作模式：低功耗模式和重載條件下的固定頻率、強(qiáng)制PWM模式。低功耗模式僅消耗30μA的靜態(tài)電流，空載或輕載條件下允許轉(zhuǎn)換器僅在必要時(shí)才啟動(dòng)開關(guān)工作。低功耗模式在輕載時(shí)能夠提供最高效率，最大限度地避免了能量的浪費(fèi)，有效降低電池?fù)p耗。

另一種模式適用于重載條件(通常超過90mA)，采用固定頻率、強(qiáng)制PWM模式，任何負(fù)載條件下均工作在固定頻率。該模式便于噪聲濾波，并具有較低的輸出紋波，不過功耗較大。

此應(yīng)用中，MAX8815A工作在大功率的固定PWM模式，關(guān)斷引腳用于控制驅(qū)動(dòng)器的使能或關(guān)斷。關(guān)斷模式下，MAX8815A僅消耗100nA的電池電流，有助于延長(zhǎng)電池的使用壽命和兩次充電之間的時(shí)間間隔。

配合MAX8815A工作時(shí)，MAX9938H檢流放大器對(duì)電流進(jìn)行控制，從而保持流過LED的電流為固定的1A。該放大器的輸入端集成了增益設(shè)置電阻，將增益設(shè)置在100V/V。此外，該器件還具有低于500μV (最大值)的VOS和低于±0.5% (最大值)的增益誤差，保持較高的精度等級(jí)。MAX9938H在靜態(tài)模式下僅消耗1μA電流。通過調(diào)整不同的并聯(lián)電阻值(有時(shí)可以采用覆銅引線)，例如修改或微調(diào)芯片的并聯(lián)電阻，可以改變電流值。

該設(shè)計(jì)方案包括五個(gè)單元，因?yàn)樽畲笙薅鹊亟档土苏{(diào)節(jié)器和控制環(huán)路的功耗，該方案有效延長(zhǎng)了電池使用壽命。公司提供MAX8815A和MAX9938H的樣品和評(píng)估板。