低損耗LED驅動器通過提高效率、延長電池壽命加快系統的綠色進程

摘要：現今有很多不同的方案可以為高亮度LED (HB LED)供電。由于多數系統采用電池供電，能效成為延長電池使用壽命和系統工作時間的關鍵。提高電池的使用效率還有助于加快系統的“綠色”進程。在電池的有效使用期限內，相同充電次數下，延長兩次充電之間的時間間隔有可能使電池的有效使用時間延長數百小時。這意味著送到垃圾填埋場或危險廢物處理場進行銷毀的電池數量會大大降低。

低功耗照明的驅動器通常采用簡單的線性穩壓器，將其配置成恒流模式(圖1a)。線性穩壓器具有設計簡單等優點。然而，其主要缺點在于功耗較大，因為工作時，多余的電壓通過檢流電阻和調整管本身的發熱耗散掉。這樣的熱損耗還嚴重阻礙了系統的“綠色”進程。熱損耗越大，對冷卻裝置(風扇或大金屬散熱器)的要求越高，消耗的能量也越多，并會占用更大的空間和重量，同時也意味著材料成本和制造時間的增加。

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


圖1a. 簡單的線性穩壓架構由于調整管和電流設置電阻而存在較大功耗。該電路的優點是簡單、沒有任何EMI，但它僅適用于低電壓應用，而且存在一定的發熱。


圖1b. 基本的開關模式調節方案，功耗主要來自檢流電阻的能量損耗。該方案效率極高，并可實現升壓。不過，電路相對復雜并且會產生EMI。

為了降低檢流電阻的功耗，應采用低損耗電流檢測電路，例如采用電阻/運放結合的方式提供開關轉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生100V/V的檢測增益。這一方案能夠把反饋電路的損耗降至幾個毫瓦，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轉換電路采用了MAX9938H檢流放大器，并使用MAX8815A升壓轉換器通過兩節NiMH串聯電池為其供電。MAX8815A工作在最高2MHz的開關頻率下，效率高達97%。高開關頻率最大限度減小了外部元件的尺寸；而內部補償功能則減少了外部元件數量，適用于成本和空間敏感產品。該轉換器可以在兩節NiMH或NiCd電池或單節Li+/Li聚合物電池供電時產生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、強制PWM模式。低功耗模式僅消耗30μA的靜態電流，空載或輕載條件下允許轉換器僅在必要時才啟動開關工作。低功耗模式在輕載時能夠提供最高效率，最大限度地避免了能量的浪費，有效降低電池損耗。

另一種模式適用于重載條件(通常超過90mA)，采用固定頻率、強制PWM模式，任何負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。

此應用中，MAX8815A工作在大功率的固定PWM模式，關斷引腳用于控制驅動器的使能或關斷。關斷模式下，MAX8815A僅消耗100nA的電池電流，有助于延長電池的使用壽命和兩次充電之間的時間間隔。

配合MAX8815A工作時，MAX9938H檢流放大器對電流進行控制，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置電阻，將增益設置在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。MAX9938H在靜態模式下僅消耗1μA電流。通過調整不同的并聯電阻值(有時可以采用覆銅引線)，例如修改或微調芯片的并聯電阻，可以改變電流值。

該設計方案包括五個單元，因為最大限度地降低了調節器和控制環路的功耗，該方案有效延長了電池使用壽命。公司提供MAX8815A和MAX9938H的樣品和評估板。