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(zhǎng)電池壽命。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以及諸如移動(dòng)電話等智能設(shè)備的普遍使用，用于網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)控目的，對(duì)提高電源效率的需求變得更加迫切。便攜式設(shè)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(dú)的LED背光驅(qū)動(dòng)器可以使用高達(dá)40％，使其成為節(jié)能工作的主要目標(biāo)。

采用各種技術(shù)來(lái)最小化背光功耗。選擇針對(duì)低功耗和高效率進(jìn)行優(yōu)化的LED驅(qū)動(dòng)器IC是一個(gè)明確的起點(diǎn)。諸如環(huán)境光傳感器和動(dòng)態(tài)背光控制以及調(diào)光等技術(shù)可以為節(jié)省電池電量做出重要貢獻(xiàn)。

圖1：動(dòng)態(tài)背光控制使用調(diào)光以節(jié)省電池電量，例如在黑暗中使用智能手機(jī)時(shí)。

本文將考慮通過(guò)高級(jí)設(shè)計(jì)和明智選擇LED驅(qū)動(dòng)器可以做出的貢獻(xiàn)。仔細(xì)研究的因素包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持額外節(jié)能技術(shù)所需的特性，以及它們對(duì)效率和電路尺寸的影響。

將參考Richtek RT9285升壓轉(zhuǎn)換器，適用于單個(gè)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(zhuǎn)換器可驅(qū)動(dòng)單串最多11個(gè)LED，LM3532和LM3697驅(qū)動(dòng)三個(gè)LED串。

超低功耗和可穿戴設(shè)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(zhuǎn)換器通常被認(rèn)為是為電池供電應(yīng)用中用于顯示器背光的LED供電的最佳節(jié)能設(shè)備。有許多此類(lèi)器件的供應(yīng)商，其中一些已經(jīng)制作了一些有用的應(yīng)用指南，以幫助設(shè)計(jì)人員最大限度地降低功耗并提高效率。

恒流轉(zhuǎn)換器很重要，因?yàn)長(zhǎng)ED需要用特定電流驅(qū)動(dòng)保持特定的光輸出。升壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)，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?fù)溆糜隍?qū)動(dòng)串聯(lián)運(yùn)行的LED，而開(kāi)關(guān)電容器方法是并聯(lián)LED架構(gòu)的選擇。開(kāi)關(guān)電容器裝置往往限于固定數(shù)量的電壓增益，并且存在過(guò)度升壓的風(fēng)險(xiǎn)，但它們具有最小化所需外部元件數(shù)量的優(yōu)點(diǎn)。相反，電感式升壓轉(zhuǎn)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(jiǎn)介 2 ，電感式升壓轉(zhuǎn)換器通過(guò)內(nèi)部Mosfet開(kāi)關(guān)對(duì)電感充電，并在Mosfet開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)通過(guò)整流器將電感放電至負(fù)載。從電感器充電到放電的過(guò)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(kāi)關(guān)的額定電流和升壓比將決定最大負(fù)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(zhuǎn)換器中，整流器集成為Mosfet以提供同步整流。

TI建議通過(guò)最小化Nmos電源開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和串聯(lián)電阻來(lái)優(yōu)化電感式升壓轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)頻率可以允許使用較低值的電感器，但也會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗。

TI建議，選擇具有低正向?qū)妷海╒F）的肖特基二極管將提高升壓效率;雖然設(shè)計(jì)人員被警告說(shuō)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(qū)動(dòng)器相關(guān)的高占空比（》 80％）將最大限度地降低低VF二極管的影響，因?yàn)槠骷H在一小部分開(kāi)關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)通。

在串聯(lián)轉(zhuǎn)換器中，需要一個(gè)電流吸收器來(lái)控制通過(guò)每個(gè)LED串的電流。為了進(jìn)一步提高效率，TI建議，電流源調(diào)節(jié)電壓應(yīng)設(shè)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(dòng)態(tài)背光

對(duì)于耗電量大的便攜式設(shè)備，例如智能手機(jī)，制造商越來(lái)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(guò)這種方式可以顯著減少?gòu)碾姵丶橙〉碾娏Α?TI指出，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)置五個(gè)亮度等級(jí)的用例，對(duì)應(yīng)于陽(yáng)光，戶外陰天，室內(nèi)明亮，昏暗的房間和夜晚。亮度水平可以設(shè)置為100％至50％，相當(dāng)于LED驅(qū)動(dòng)電流從25 mA降至12.5 mA。

另一種選擇是建立用戶可調(diào)節(jié)的顯示亮度選項(xiàng)，鼓勵(lì)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(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)或內(nèi)容調(diào)整的背光控制功能。在這種情況下，亮度級(jí)別取決于所顯示信息的類(lèi)型。例如，在觀看視頻內(nèi)容時(shí)，動(dòng)態(tài)背光控制器可以自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度等級(jí)以節(jié)省電力。不可避免地會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，但設(shè)計(jì)人員可以確定降低功耗和保持圖像質(zhì)量之間的最佳點(diǎn)。

在所有這些情況下，LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)提供靈活的調(diào)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(diào)光技術(shù)，包括模擬和PWM調(diào)光

功能和權(quán)衡

雖然有大量基于升壓的LED驅(qū)動(dòng)器可供選擇，但選擇取決于應(yīng)用的性質(zhì)。 Richtek總結(jié)了選擇LED驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵參數(shù)：輸入電壓，LED串電壓和LED串電流，單/多串LED和調(diào)光要求。 TI強(qiáng)調(diào)了在性能折衷方面需要關(guān)注的關(guān)鍵規(guī)格，即：開(kāi)關(guān)頻率和電感值/尺寸。

讓我們簡(jiǎn)單介紹一些適用于為背光顯示器和鍵盤(pán)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(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路。

Richtek的RT9285是一款高頻異步升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)置二極管，最多可支持五個(gè)白光LED，用于背光。該器件采用1 MHz固定開(kāi)關(guān)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(nèi)，效率高達(dá)85％。功能包括具有零浪涌的數(shù)字調(diào)光，但也可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光控制。通過(guò)設(shè)置電流檢測(cè)電阻來(lái)調(diào)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(duì)于較大的顯示器，驅(qū)動(dòng)多達(dá)11個(gè)串聯(lián)的白光LED，一根井經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案是德州儀器公司的LM3530。該器件的開(kāi)關(guān)頻率為500 kHz，在2.7至5.5 V輸入電壓范圍內(nèi)效率為90％。 LED電流可通過(guò)I 2 C兼容接口調(diào)節(jié)，工作電壓范圍為0至29.5 mA，具有127個(gè)電流階躍和8個(gè)最大電流電平。提供帶有內(nèi)部設(shè)定電阻的可編程雙環(huán)境光傳感器輸入，并且該設(shè)備支持內(nèi)容調(diào)整的背光功能。提供外部PWM輸入以進(jìn)行線性亮度調(diào)整。

圖3：TI LM3532基于升壓的LED驅(qū)動(dòng)器的功能框圖。

《 p》更高版本的LM3532設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)三個(gè)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(dá)90％，它提供三個(gè)高壓，低電壓的電源。側(cè)電流吸收并使用自適應(yīng)電流調(diào)節(jié)方法來(lái)支持每個(gè)電流吸收器中的不同LED電流。

調(diào)光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生了TI的LM3697;再次使用升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)多達(dá)三個(gè)并聯(lián)的高壓LED串，但這次采用11位指數(shù)調(diào)光。結(jié)果是亮度級(jí)別之間的轉(zhuǎn)換更均勻。有趣的是，該設(shè)備提供兩種開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置。在500 kHz時(shí)，由于降低的開(kāi)關(guān)損耗，在較輕負(fù)載條件下效率被認(rèn)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(shí)，效率在較高負(fù)載條件下得到優(yōu)化，從而降低了MOSFET和電感器的導(dǎo)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(shè)備的降壓 - 升壓

可穿戴設(shè)備和超低功耗設(shè)備可以從不同的方法中受益。 Richtek建議使用電荷泵設(shè)備，例如不需要外部電感的RT9361A，或降壓 - 升壓拓?fù)?。?dāng)電池電壓低于穩(wěn)壓輸出電壓值時(shí)，降壓 - 升壓可延長(zhǎng)電池壽命。該公司的RT6150A/B值得在此進(jìn)行調(diào)查。 Intersil還專注于可穿戴設(shè)備的電源管理設(shè)備，并推薦降壓 - 升壓。查看ISL91110，聲稱對(duì)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(jié)論

最大化電池生命仍然是便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)者的首要考慮因素，這些設(shè)備將用于蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。最小化點(diǎn)亮顯示器所需的功率是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)?；贐oost的LED驅(qū)動(dòng)器可以做出有價(jià)值的貢獻(xiàn)，但設(shè)計(jì)人員需要了解效率，開(kāi)關(guān)頻率，電感器尺寸和元件數(shù)量方面的權(quán)衡，這將取決于特定應(yīng)用中預(yù)期的負(fù)載水平。