一種鋰電池供電、低壓高亮度（HB） LED解決方案

　　摘要：隨著LED制造技術(shù)以及電池技術(shù)的進步，高亮度（HB） LED廣泛用于各種照明設(shè)備，其光輸出量（發(fā)光效率）通常以流明/瓦為單位計量，已經(jīng)超過了熒光燈的發(fā)光效率。本文所介紹的是利用MAX16834 HB LED驅(qū)動器從低壓電源產(chǎn)生HB LED驅(qū)動的實用解決方案。

　　1  概述

　　高亮度（HB） LED目前已廣泛用于各種照明設(shè)備，其光輸出量（發(fā)光效率）通常以流明/瓦為單位計量，已經(jīng)超過了熒光燈的發(fā)光效率。而采用高容量、單節(jié)Li+電池驅(qū)動高效率LED光源時，由于電池電壓僅為3V至4V,需要解決電源轉(zhuǎn)換問題?？煽啃约鞍踩匦允沟肏B LED成為電池備份照明系統(tǒng)（應(yīng)急照明等）的優(yōu)選方案。

　　隨著LED制造技術(shù)以及電池技術(shù)的進步，目前最高容量的鋰離子（Li+）電池能量密度可以達到750kJ/kg左右；鎳氫（NiMH）電池的能量密度略低一些，大約為200kJ/kg （而汽油的能量密度為44MJ/kg）。單節(jié)Li+電池的端電壓約為3.7V,要想直接驅(qū)動多個串聯(lián)的LED,則需把多節(jié)電池串聯(lián)在一起，但這會帶來功率分配等設(shè)計問題，用戶也往往首選單節(jié)電池供電的方案。

　　2  采用連續(xù)boost模式驅(qū)動LED燈串

　　以常見的boost配置拓?fù)錇槔?，例如：?biāo)準(zhǔn)的MAX16834 HB LED驅(qū)動器評估板（EV） MAX16834EVKIT （圖1）。

　　圖1:HB LED驅(qū)動器boost配置圖

　　為了向開關(guān)MOSFET提供足夠的柵極驅(qū)動電壓，MAX16834要求工作電壓至少為4.5V,以便MOSFET進入低阻導(dǎo)通狀態(tài)。對于采用n溝道FET工作在boost模式的HB LED驅(qū)動器，這者要求很常見。

　　單節(jié)Li+電池的驅(qū)動電壓可能低至3V,無法支持電路中FET及其它電路的正常工作。這就需要將電池電壓提升到較高電壓，器件即可正常工作。

　　首先，驅(qū)動電路提升電池電壓用于控制器供電，然后再為LED燈串提供所要求的驅(qū)動電流，這種架構(gòu)會在一定程度上增大功耗，進而影響電池的使用壽命。因為總體效率是每一級效率的乘積，例如，如果升壓效率為70%,而控制級的效率為70%,那么總體效率只有大約50%.

　　本文介紹的方案采用低成本、低功耗boost轉(zhuǎn)換器為評估板中的HB LED驅(qū)動器提供穩(wěn)定的5V電源。同時，由電池直接驅(qū)動FET boost轉(zhuǎn)換器。這種方式下，只對電池進行一級升壓，即可為LED燈串供電。

　　2  Boost轉(zhuǎn)換器同時為LED燈串和FET供電

　　MAX16834是一款通用的HB LED驅(qū)動器，允許通過模擬和脈寬調(diào)制（PWM）進行調(diào)光。器件可實現(xiàn)升壓、升/降壓、SEPIC和高邊buck拓?fù)?。除了?qū)動由開關(guān)控制器控制的n溝道功率MOSFET開關(guān)，器件還可驅(qū)動n溝道PWM調(diào)光開關(guān)，以實現(xiàn)LED PWM調(diào)光。器件集成了寬范圍調(diào)光、固定頻率HB LED驅(qū)動所需的全部電路。

　　需要對MAX16834EVKIT進行一些更改，該設(shè)計中使用了MAX8815A boost轉(zhuǎn)換器。其評估板默認(rèn)設(shè)置為5V輸出，無需更改標(biāo)準(zhǔn)電路（圖2）。

　　圖2:MAX8815AEVKIT轉(zhuǎn)換器電路圖

　　3  方案的系統(tǒng)測試結(jié)果

　　整個電路用于驅(qū)動6只Seoul Semiconductor P7 LED組成的燈串，可提供高達1A的驅(qū)動電流。雖然LED可以通過大于1A的電流，但標(biāo)準(zhǔn)MAX16834評估板的最大電流為1A,足以支持設(shè)計分析。圖3所示為HB LED驅(qū)動器和升壓轉(zhuǎn)換器配置。

　　圖3:HB LED驅(qū)動器和升壓轉(zhuǎn)換器

　　為了消除電池放電期間對電壓的影響或電池阻抗的升高，可采用大電流、低電壓電源代替電池，從而使輸入電壓保持基本穩(wěn)定，通過改變LED驅(qū)動電流改變系統(tǒng)負(fù)載。

　　測量輸入和輸出的電流、電壓，得到5V、4V和3V電源下系統(tǒng)的性能參數(shù)，這些數(shù)據(jù)模擬單節(jié)Li+電池的預(yù)期電壓范圍。測量輸入和輸出電流需要獨立校準(zhǔn)的數(shù)字電壓表（DVM），當(dāng)然也有替代方案?？衫肕AX9938電流檢測放大器評估板測量輸入電流，采用非常小的檢流電阻，將其引入的測量誤差降至最小。標(biāo)準(zhǔn)分流器為50mΩ、4端電阻，采用6個100mΩ電阻并聯(lián)在其兩端，得到12.5mΩ檢流電阻（圖4）。

　　圖4:MAX9938EV標(biāo)準(zhǔn)分流器電路圖

　　因此，評估板從2.5V/A轉(zhuǎn)換為625mV/A,這樣，即可用同一DVM測量所有電壓。

　　利用同一數(shù)字電壓表（DVM），通過測量評估板上0.1Ω串聯(lián)電阻的電壓，即可確定輸出電流。這一方法確保所有電流、電壓讀數(shù)均通過電壓測量確定。使用同一DVM完成所有測量，從本質(zhì)上抵消了測試裝置的校準(zhǔn)誤差，系統(tǒng)測試如圖5所示。

　　圖5:DVM系統(tǒng)框圖

　　將電壓測量結(jié)果輸入Excel®電子表格，計算輸入/輸出電流及輸入/輸出電壓測量值，繪制三種電源電壓下的系統(tǒng)效率（表1和圖6）。

　　表1:性能測試結(jié)果

　　圖6:MAX16834 HB LED驅(qū)動器在三種電壓下的性能數(shù)據(jù)

　　測量時，負(fù)載從零（全部LED熄滅）增大至評估板滿載（LED燈串電流最大約1A）。數(shù)據(jù)表明，電壓較低時，提供給輸出的功率減小。這是因為輸入電源將系統(tǒng)的輸入電流限制為4A,電池源通常也存在此類限制。

　　4  結(jié)論

　　本方案對于電路進行少許修改，MAX16834可用于驅(qū)動HB LED燈串。即使在電池電壓低至3V時，總體轉(zhuǎn)換效率也可維持在大約90%或以上。本文所采用最新技術(shù)、高容量Li+電池提供照明解決方案，避免多級電源轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的效率低下問題，有助于延長電池使用壽命。