应用笔记 5287

Li+电池供电、低压高亮度(HB) LED解决方案

By: Keith Welsh

摘要 : 高亮度(HB) LED是电池备份照明中的优选方案,特别是应急照明设备。然而,将高效率LED光源与高容量、单节Li+电池组合在一起时会面临诸多挑战。本应用笔记介绍了利用MAX16834 HB LED驱动器从低压电源产生HB LED驱动的实用方案。

本文于2012年3月刊登在Electronics

概述

高亮度(HB) LED目前已广泛用于各种照明设备,其光输出量(发光效率)通常以流明/瓦为单位计量,已经超过了荧光灯的发光效率。可靠性及安全特性使得HB LED成为电池备份照明系统(应急照明等)的优选方案。
随着LED制造技术以及电池技术的进步,目前最高容量的锂离子(Li+)电池能量密度可以达到750kJ/kg左右;镍氢(NiMH)电池的能量密度略低一些,大约为200kJ/kg (而汽油的能量密度为44MJ/kg)。单节Li+电池的端电压约为3.7V,要想直接驱动多个串联的LED,则需把多节电池串联在一起,但这会带来功率分配等设计问题,用户也往往首选单节电池供电的方案。
采用高容量、单节Li+电池驱动高效率LED光源时,由于电池电压仅为3V至4V,需要解决电源转换问题。本应用笔记介绍了Maxim MAX16834 HB LED驱动器从低压电源产生HB LED灯串驱动的解决方案。

采用连续boost模式驱动LED灯串时效率低下

以常见的boost配置拓扑为例,例如:标准的MAX16834 HB LED驱动器评估板(EV) MAX16834EVKIT (图1)。
图1. 常见的HB LED驱动器boost配置
图1. 常见的HB LED驱动器boost配置
为了向开关MOSFET提供足够的栅极驱动电压,MAX16834要求工作电压至少为4.5V,以便MOSFET进入低阻导通状态。对于采用n沟道FET工作在boost模式的HB LED驱动器,这者要求很常见。
单节Li+电池的驱动电压可能低至3V,无法支持电路中FET及其它电路的正常工作。这就需要将电池电压提升到较高电压,器件即可正常工作。
首先,驱动电路提升电池电压用于控制器供电,然后再为LED灯串提供所要求的驱动电流,这种架构会在一定程度上增大功耗,进而影响电池的使用寿命。因为总体效率是每一级效率的乘积,例如,如果升压效率为70%,而控制级的效率为70%,那么总体效率只有大约50%。
本文介绍的方案采用低成本、低功耗boost转换器为评估板中的HB LED驱动器提供稳定的5V电源。同时,由电池直接驱动FET boost转换器。这种方式下,只对电池进行一级升压,即可为LED灯串供电。

Boost转换器同时为LED灯串和FET供电

MAX16834是一款通用的HB LED驱动器,允许通过模拟和脉宽调制(PWM)进行调光。器件可实现升压、升/降压、SEPIC和高边buck拓扑。除了驱动由开关控制器控制的n沟道功率MOSFET开关,器件还可驱动n沟道PWM调光开关,以实现LED PWM调光。器件集成了宽范围调光、固定频率HB LED驱动所需的全部电路。
需要对MAX16834EVKIT进行一些更改,该设计中使用了MAX8815A boost转换器。其评估板默认设置为5V输出,无需更改标准电路(图2)。
图2. MAX8815AEVKIT提供所需的5V输出,无需更改电路
图2. MAX8815AEVKIT提供所需的5V输出,无需更改电路

方案设置

整个电路用于驱动6只Seoul Semiconductor P7 LED组成的灯串,可提供高达1A的驱动电流。虽然LED可以通过大于1A的电流,但标准MAX16834评估板的最大电流为1A,足以支持设计分析。图3所示为HB LED驱动器和升压转换器配置。
图3. MAX16834 HB LED驱动器和MAX8815A升压转换器
图3. MAX16834 HB LED驱动器和MAX8815A升压转换器
为了消除电池放电期间对电压的影响或电池阻抗的升高,可采用大电流、低电压电源代替电池,从而使输入电压保持基本稳定,通过改变LED驱动电流改变系统负载。
测量输入和输出的电流、电压,得到5V、4V和3V电源下系统的性能参数,这些数据模拟单节Li+电池的预期电压范围。测量输入和输出电流需要独立校准的数字电压表(DVM),当然也有替代方案。可利用MAX9938电流检测放大器评估板测量输入电流,采用非常小的检流电阻,将其引入的测量误差降至最小。标准分流器为50mΩ、4端电阻,采用6个100mΩ电阻并联在其两端,得到12.5mΩ检流电阻(图4)。
图4. MAX9938EV标准分流器为50mΩ、4端电阻(R1)。利用6个100mΩ电阻并联R1,得到12.5mΩ检流电阻。
图4. MAX9938EV标准分流器为50mΩ、4端电阻(R1)。利用6个100mΩ电阻并联R1,得到12.5mΩ检流电阻。
因此,评估板从2.5V/A转换为625mV/A,这样,即可用同一DVM测量所有电压。
利用同一数字电压表(DVM),通过测量评估板上0.1Ω串联电阻的电压,即可确定输出电流。这一方法确保所有电流、电压读数均通过电压测量确定。使用同一DVM完成所有测量,从本质上抵消了测试装置的校准误差,系统测试如图5所示。
图5. 系统框图
图5. 系统框图
将电压测量结果输入Excel®电子表格,计算输入/输出电流及输入/输出电压测量值,绘制三种电源电压下的系统效率(表1图6)。
表1. 性能测试结果
Measurements at 5V (nom)
VIN 4.98 4.97 4.94 4.93 4.91 4.89 4.86 4.83 4.81
VOUT 4.91 16.27 16.7 16.89 16.98 16.98 17.01 17.85 17.99
Current in (A) 0.04 0.50 1.03 1.47 1.97 2.44 3.05 3.36 3.79
Current out (A) 0 0.13 0.28 0.41 0.54 0.67 0.82 0.86 0.95
Power in (W) 0.17 2.50 5.07 7.24 9.67 11.93 14.82 16.23 18.24
Power out (W) 0 2.18 4.71 6.91 9.24 11.33 13.91 15.42 17.13
Efficiency (%) 0 87.04 92.81 95.40 95.52 94.92 93.88 95.03 93.90
Measurements at 4V (nom)
VIN 4.02 4 3.97 3.96 3.94 3.92 3.89 3.88 3.85
VOUT 3.95 16.1 16.65 16.89 17.14 17.36 17.56 17.74 17.88
Current in (A) 0.03 0.50 1.08 1.45 1.91 2.44 3.21 3.38 4.08
Current out (A) 0.00 0.11 0.24 0.32 0.42 0.52 0.66 0.69 0.80
Power in (W) 0.13 1.98 4.27 5.75 7.53 9.55 12.50 13.10 15.71
Power out (W) 0.00 1.74 4.01 5.47 7.22 9.10 11.59 12.15 14.32
Efficiency (%) 0.00 87.64 94.01 95.12 95.79 95.29 92.73 92.77 91.18
Measurements at 3V (nom)
VIN 3.01 2.99 2.976 2.957 2.94 2.924 2.885 2.867  
VOUT 2.95 16.07 16.45 16.73 16.86 17.11 17.37 17.45  
Current in (A) 0.03 0.56 1.02 1.52 1.96 2.40 3.46 3.88  
Current out (A) 0.00 0.09 0.17 0.25 0.31 0.38 0.51 0.57  
Power in (W) 0.10 1.66 3.02 4.49 5.77 7.02 9.98 11.11  
Power out (W) 0.00 1.43 2.75 4.22 5.28 6.42 8.84 9.86  
Efficiency (%) 0.00 85.91 90.86 93.80 91.50 91.37 88.55 88.70  
图6. MAX16834 HB LED驱动器在三种电压下的性能数据
图6. MAX16834 HB LED驱动器在三种电压下的性能数据
测量时,负载从零(全部LED熄灭)增大至评估板满载(LED灯串电流最大约1A)。数据表明,电压较低时,提供给输出的功率减小。这是因为输入电源将系统的输入电流限制为4A,电池源通常也存在此类限制。

结论

对电路进行少许修改,MAX16834可用于驱动HB LED灯串。即使在电池电压低至3V时,总体转换效率也可维持在大约90%或以上。能够帮助工程师采用最新技术、高容量Li+电池提供照明解决方案,避免多级电源转换而导致的效率低下问题,有助于延长电池使用寿命。