利用LED驅動器延長便攜設備的電池壽命

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備的普遍使用，用于網(wǎng)絡控制和監(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)背光控制以及調光等技術可以為節(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計和明智選擇LED驅動器可以做出的貢獻。仔細研究的因素包括拓撲結構，支持額外節(jié)能技術所需的特性，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電流模式升壓轉換器可驅動單串最多11個LED，LM3532和LM3697驅動三個LED串。

超低功耗和可穿戴設備，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

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

恒流轉換器很重要，因為LED需要用特定電流驅動保持特定的光輸出。升壓轉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動串聯(lián)運行的LED，而開關電容器方法是并聯(lián)LED架構的選擇。開關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 ，電感式升壓轉換器通過內部Mosfet開關對電感充電，并在Mosfet開關關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電源開關的導通電阻和串聯(lián)電阻來優(yōu)化電感式升壓轉換器。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。增加升壓開關頻率可以允許使用較低值的電感器，但也會增加開關損耗。

TI建議，選擇具有低正向導通電壓（VF）的肖特基二極管將提高升壓效率;雖然設計人員被警告說低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)背光驅動器相關的高占空比（》 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周期內導通。

在串聯(lián)轉換器中，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，電流源調節(jié)電壓應設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，設計人員可以設置五個亮度等級的用例，對應于陽光，戶外陰天，室內明亮，昏暗的房間和夜晚。亮度水平可以設置為100％至50％，相當于LED驅動電流從25 mA降至12.5 mA。

另一種選擇是建立用戶可調節(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，設計師開發(fā)了動態(tài)或內容調整的背光控制功能。在這種情況下，亮度級別取決于所顯示信息的類型。例如，在觀看視頻內容時，動態(tài)背光控制器可以自動調節(jié)亮度等級以節(jié)省電力。不可避免地會對圖像質量產(chǎn)生影響，但設計人員可以確定降低功耗和保持圖像質量之間的最佳點。

在所有這些情況下，LED驅動器應提供靈活的調光支持，需要控制輸出電流，從而控制LED光輸出。提供不同的調光技術，包括模擬和PWM調光

功能和權衡

雖然有大量基于升壓的LED驅動器可供選擇，但選擇取決于應用的性質。 Richtek總結了選擇LED驅動器的關鍵參數(shù)：輸入電壓，LED串電壓和LED串電流，單/多串LED和調光要求。 TI強調了在性能折衷方面需要關注的關鍵規(guī)格，即：開關頻率和電感值/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高頻升壓轉換器的典型應用電路。

Richtek的RT9285是一款高頻異步升壓轉換器內置二極管，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，效率高達85％。功能包括具有零浪涌的數(shù)字調光，但也可以實現(xiàn)PWM調光控制。通過設置電流檢測電阻來調節(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。該器件的開關頻率為500 kHz，在2.7至5.5 V輸入電壓范圍內效率為90％。 LED電流可通過I 2 C兼容接口調節(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。提供帶有內部設定電阻的可編程雙環(huán)境光傳感器輸入，并且該設備支持內容調整的背光功能。提供外部PWM輸入以進行線性亮度調整。

圖3：TI LM3532基于升壓的LED驅動器的功能框圖。

《 p》更高版本的LM3532設計用于驅動三個并聯(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。側電流吸收并使用自適應電流調節(jié)方法來支持每個電流吸收器中的不同LED電流。

調光技術的進一步發(fā)展產(chǎn)生了TI的LM3697;再次使用升壓轉換器驅動多達三個并聯(lián)的高壓LED串，但這次采用11位指數(shù)調光。結果是亮度級別之間的轉換更均勻。有趣的是，該設備提供兩種開關頻率設置。在500 kHz時，由于降低的開關損耗，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。

可穿戴設備的降壓 - 升壓

可穿戴設備和超低功耗設備可以從不同的方法中受益。 Richtek建議使用電荷泵設備，例如不需要外部電感的RT9361A，或降壓 - 升壓拓撲。當電池電壓低于穩(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值得在此進行調查。 Intersil還專注于可穿戴設備的電源管理設備，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。

結論

最大化電池生命仍然是便攜式設備設計者的首要考慮因素，這些設備將用于蓬勃發(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鍵目標?；贐oost的LED驅動器可以做出有價值的貢獻，但設計人員需要了解效率，開關頻率，電感器尺寸和元件數(shù)量方面的權衡，這將取決于特定應用中預期的負載水平。