低损耗LED驱动器通过提高效率，延长电池寿命加快系统的绿色进程

摘要：现今有很多不同的方案可以为高亮度LED (HB LED)供电。由于多数系统采用电池供电，能效成为延长电池使用寿命和系统工作时间的关键。提高电池的使用效率还有助于加快系统的“绿色”进程。在电池的有效使用期限内，相同充电次数下，延长两次充电之间的时间间隔有可能使电池的有效使用时间延长数百小时。这意味着送到垃圾填埋场或危险废物处理场进行销毁的电池数量会大大降低。


低功耗照明的驱动器通常采用简单的线性稳压器，将其配置成恒流模式(图1a)。线性稳压器具有设计简单等优点。然而，其主要缺点在于功耗较大，因为工作时，多余的电压通过检流电阻和调整管本身的发热耗散掉。这样的热损耗还严重阻碍了系统的“绿色”进程。热损耗越大，对冷却装置(风扇或大金属散热器)的要求越高，消耗的能量也越多，并会占用更大的空间和重量，同时也意味着材料成本和制造时间的增加。

一种替代的解决方案是采用开关模式调节架构，例如buck或boost调节器(图1b)。这类调节器通常需要一个0.8V至1.3V的反馈电压，用于调节流过LED的电流。用来建立该电压的电流测量电路通常是与LED串联的一个小电阻。电阻两端的电压作为反馈电压，可以为LED维持恒流供电。这种架构降低了调节器本身的损耗，但检流电阻的功耗使系统损耗仍然存在。


图1a. 简单的线性稳压架构由于调整管和电流设置电阻而存在较大功耗。该电路的优点是简单、没有任何EMI，但它仅适用于低电压应用，而且存在一定的发热。


图1b. 基本的开关模式调节方案，功耗主要来自检流电阻的能量损耗。该方案效率极高，并可实现升压。不过，电路相对复杂并且会产生EMI。

为了降低检流电阻的功耗，应采用低损耗电流检测电路，例如采用电阻/运放结合的方式提供开关转换器所要求的反馈电压。可以采用专用的精密检流放大器，例如MAX9938H，为检流电阻两端的电压产生100V/V的检测增益。这一方案能够把反馈电路的损耗降至几个毫瓦，甚至可以采用电路板上的一小段覆铜引线作为小的检流电阻，成本几乎为零，由此可见，该方案具有很大吸引力。

在图2所示电路中，boost转换电路采用了MAX9938H检流放大器，并使用MAX8815A升压转换器通过两节NiMH串联电池为其供电。MAX8815A工作在最高2MHz的开关频率下，效率高达97%。高开关频率最大限度减小了外部元件的尺寸；而内部补偿功能则减少了外部元件数量，适用于成本和空间敏感产品。该转换器可以在两节NiMH或NiCd电池或单节Li+/Li聚合物电池供电时产生3.3V至5V的输出电压。


图2. 从图1b衍生而来，采用诸如MAX9938H的检流放大器将检流电阻的功耗降至几个毫瓦。相比图1电路几百毫瓦甚至更大的损耗，该电路的功耗降低了许多。

MAX8815A具有两种工作模式：低功耗模式和重载条件下的固定频率、强制PWM模式。低功耗模式仅消耗30µA的静态电流，空载或轻载条件下允许转换器仅在必要时才启动开关工作。低功耗模式在轻载时能够提供最高效率，最大限度地避免了能量的浪费，有效降低电池损耗。

另一种模式适用于重载条件(通常超过90mA)，采用固定频率、强制PWM模式，任何负载条件下均工作在固定频率。该模式便于噪声滤波，并具有较低的输出纹波，不过功耗较大。

此应用中，MAX8815A工作在大功率的固定PWM模式，关断引脚用于控制驱动器的使能或关断。关断模式下，MAX8815A仅消耗100nA的电池电流，有助于延长电池的使用寿命和两次充电之间的时间间隔。

配合MAX8815A工作时，MAX9938H检流放大器对电流进行控制，从而保持流过LED的电流为固定的1A。该放大器的输入端集成了增益设置电阻，将增益设置在100V/V。此外，该器件还具有低于500µV (最大值)的VOS和低于±0.5% (最大值)的增益误差，保持较高的精度等级。MAX9938H在静态模式下仅消耗1µA电流。通过调整不同的并联电阻值(有时可以采用覆铜引线)，例如修改或微调芯片的并联电阻，可以改变电流值。

该设计方案包括五个单元，因为最大限度地降低了调节器和控制环路的功耗，该方案有效延长了电池使用寿命。