用電池組驅(qū)動(dòng)七個(gè)白光LED的電路設(shè)計(jì),LED driver design

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為驅(qū)動(dòng)一個(gè)以上的高亮度白光LED，設(shè)計(jì)工程師需要選擇是串聯(lián)連接LED或是并聯(lián)連接LED。當(dāng)然，每種連接方式都會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)折衷。
并聯(lián)連接只需在每個(gè)LED兩端施加較低的電壓，但需要利用鎮(zhèn)流電阻或電流源來(lái)保證每個(gè)LED的亮度一致。如果流過(guò)每個(gè)LED的偏置電流大小不同，則它們的亮度也不同，從而導(dǎo)致整個(gè)光源亮度不均勻。然而，利用鎮(zhèn)流電阻或電流源來(lái)保證LED的亮度一致將縮短電池的使用壽命。
采用串聯(lián)連接本質(zhì)上可以很好保證電流的一致性，但需要給LED串施加較高電壓。為達(dá)到適當(dāng)?shù)恼彰髁炼龋胀ò坠釲ED需要3.6V偏置電壓和最大20mA的偏置電流。圖1給出了可以調(diào)節(jié)7個(gè)白光LED串亮度的低成本電感型升壓電路。
這個(gè)電路可以分成兩個(gè)部分：由Q1和Q2組成的升壓電路，以及由Q3和JFET1組成的控制電路。假設(shè)Q1截止，當(dāng)電池電壓略高于Q2的VVB時(shí)，Q2基極將流過(guò)正電流(iB=(電池電壓VBE)/RJET1)。此時(shí)，Q2導(dǎo)通，電感L1接地。

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隨著L1上的電流以di/dt的速度增大，能量在L1磁場(chǎng)中保存起來(lái)。隨著電流逐漸增大，它也流過(guò)Q2的電阻RSAT(SD1和LED串處于截止?fàn)顟B(tài))。Q2的集電極電壓足夠高，能使Q1導(dǎo)通。Q1的基極電壓通過(guò)由R1和C1組成的前饋網(wǎng)絡(luò)連到Q2的集電極。R1也被用來(lái)限制Q1的基極電流。
Q1導(dǎo)通后，驅(qū)動(dòng)Q2的基極接地，于是Q2截止，L1的能量隨著磁場(chǎng)減弱被釋放到LED串中。
L1的快速回零動(dòng)作在LED串上施加了高于26V的正向偏置電壓，使LED發(fā)出白光。由于人眼感覺不到LED的高頻閃爍，所以該電路可提供亮度恒定的照明。當(dāng)L1放電結(jié)束后，Q1返回到截止?fàn)顟B(tài)。
正常工作時(shí)，這個(gè)自振蕩動(dòng)作重復(fù)進(jìn)行，直到電池電壓下降到小于Q2的VBE 與JFET1壓降(大約1V)之和，這時(shí)Q2不再導(dǎo)通。L1、Q2的 RSAT和Q1、Q2的開關(guān)特性也會(huì)影響振蕩周期和占空比。
電池組(4個(gè)堿性電池)的電壓被提高到26V以上，以便向由7個(gè)串聯(lián)的白光LED組成的LED串提供正向偏置。
流經(jīng)R4的小直流電流(不到20uA)對(duì)Q3進(jìn)行偏置，以調(diào)節(jié)JFET1的通道電阻，從而調(diào)節(jié)電池漏電流以延長(zhǎng)電池壽命。JFET1的柵極電壓比電池組電壓高0.9V左右。這里p-JFET被用作耗盡型器件，當(dāng)VGS等于零時(shí)，p-JFET導(dǎo)通。
ET的源極連接電池端子。設(shè)計(jì)工程師可通過(guò)提高柵極電壓(比電池正電壓更高)來(lái)關(guān)斷該通道。柵極電壓比電池電壓越高，通道電阻就越大。
因此，當(dāng)電池組電壓從6V下降到3V時(shí)，振蕩頻率下降(JFET1的VGS將略有變化)。此時(shí)，LED的亮度略微下降。理想情況下，控制環(huán)路將保持LED電流不變。但人眼對(duì)光的靈敏度服從準(zhǔn)對(duì)數(shù)關(guān)系，因此在電池組電壓下降到2V左右以前，亮度的小幅度線性下降不易被察覺。
另一種方案是保持電池的輸出功率(電流與電壓之積)不變。由于存在電池內(nèi)阻損耗，雖然這樣做可保持LED亮度不變，但將縮短電池壽命，此外電路的復(fù)雜性也將大大提高。總之，這個(gè)簡(jiǎn)單電路的LED亮度將在整個(gè)電池壽命期間變化很小。
可以稍微調(diào)節(jié)LED串的亮度，比如設(shè)計(jì)工程師通過(guò)稍微改變R2的阻值來(lái)針對(duì)三極管和LED的制造偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣光輸出(單位：流明)可被設(shè)為固定值。
當(dāng)電池組能量即將耗盡時(shí)，可以把發(fā)光暗淡的LED串短路，而只連接一個(gè)LED，這時(shí)只要電池組還有1V的剩余電壓，就可以讓這個(gè)LED發(fā)出強(qiáng)光。這種單LED連接方式可以利用廢棄的電池提供最后緊急照明。
從安全方面考慮，當(dāng)使用堿性電池時(shí)所有電池必須匹配。當(dāng)電池組中能量最少的電池的能量完全耗盡，而其它電池還有足夠能量對(duì)能量耗盡的電池形成反向偏壓時(shí)，將導(dǎo)致能量耗盡的電池過(guò)熱并泄漏乳狀酸液，從而產(chǎn)生安全問題。
為實(shí)現(xiàn)電池匹配，應(yīng)保證用同一包裝的新電池同時(shí)更換全部4個(gè)電池。4個(gè)AA堿性電池的額定容量為4×1000mAh，這意味著LED可以連續(xù)照明約61個(gè)小時(shí)。電路原型的測(cè)試結(jié)果表明其連續(xù)照明時(shí)間為兩天(48小時(shí))多一點(diǎn)。