适用于Li+电池供电系统的简单低压高亮度LED解决方案

高亮度 （HB） LED 是电池备用照明应用的良好解决方案，尤其是应急照明。然而，将高效LED光源与高容量单节Li+电池相结合可能是一个挑战。本应用笔记给出了一种实用方案，利用MAX16834 HB LED驱动器从低压电源为一系列HB LED供电。

概述

高亮度 （HB） LED 现在可用于各种照明应用。光输出，通常被称为“发光效率”，以每瓦消耗的流明输出来衡量，现在甚至超过了荧光照明系统。可靠性和本质安全工作电压使HB LED成为电池备用照明系统（如应急照明）的良好解决方案。

随着LED设备的进步，电池技术也随之改进。最高容量锂离子（Li+）电池的能量密度现在超过~750kJ / kg。镍锰氢（NiMH）电池的能量密度较低，约为200kJ / kg。（为了进行比较，请注意汽油约为44MJ / kg。单节Li+电池的端电压约为3.7V。因此，除非将多个电池串联放置，这会带来功率共享等设计挑战，否则用户通常更喜欢使用单电池解决方案。

当今的挑战是将高效LED光源与高容量单节Li+电池相结合，其中可用电源电压仅为3V至4V。本应用笔记介绍了一种实用的解决方案，使用Maxim MAX16834 HB LED驱动器从低压电源为一系列HB LED供电。

电源和 LED 灯串电压的连续升压效率低下

考虑升压配置的常见拓扑结构，例如标准MAX16834 HB LED驱动器评估（EV）评估（EV）板，MAX16834EVKIT（图1）。

图1.HB LED 驱动器的常见升压配置。

为了给开关MOSFET提供足够的栅极驱动电压，MAX16834需要至少4.5V的工作电压，以使FET良好导通。对于使用 n 沟道 FET 在升压模式下工作的 HB LED 驱动器来说，这并不罕见。

由单个Li+电池供电的电源可能低至3V，因此电路中FET和其他电源的驱动力不足以正常工作。因此，如果电池电源电压可以升压到更高的值，则设备可以正常工作。

为控制器增加一次电池电源，然后再次增加对LED串的正确电流控制，会对功耗产生严重的负面影响，从而影响电池寿命。这是因为整体效率是每个阶段效率的乘积。或者更准确地说，70%的效率提升，然后70%的控制效率只会带来~50%的整体效率。

本文所述的方案使用低成本、低功耗升压转换器为评估板中的HB LED驱动器提供恒定的5V电源。同时，电池原电源直接供应给FET升压转换器级。这样，电池电量只需提升一次即可为 LED 灯串供电。

升压转换器同时为 LED 灯串和 FET 供电

MAX16834为高度通用的HB LED驱动器，通过模拟和脉宽调制（PWM）控制提供调光。它采用升压、降压-升压、SEPIC 和高边降压拓扑结构。除了驱动由开关控制器控制的n沟道功率MOSFET开关外，它还驱动n沟道PWM调光开关，实现LED PWM调光。它集成了实现具有宽范围调光控制的固定频率HB LED驱动器所需的所有构建模块。

需要对MAX16834评估板进行一些修改。本设计采用MAX8815A升压转换器。评估板默认设置为5V输出，因此无需修改标准电路（图2）。

图2.MAX8815AEVKIT提供应用所需的5V输出，因此无需修改电路。

解决方案设置

整个电路用于将高达 1A 的电流驱动到串联的 6 个首尔半导体 P7 LED 串中。虽然LED的电流比本例中使用的LED高得多，但标准MAX16834评估板可驱动高达1A的电流，足以进行本分析。图3显示了HB LED驱动器和升压转换器的配置。

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电压变化或阻抗增加的影响，使用了大电流、低压电源代替电池。这使输入电压保持接近恒定，因为LED的电流驱动被改变以改变系统负载。

测量输入和输出电流和电压，以提供5V、4V和3V电源下系统性能的数据，模拟单个Li+电池的预期电压范围。测量输入和输出电流需要单独的校准数字电压表（DVM），但还有另一种方法。输入电流使用评估板测量，用于MAX9938电流检测放大器，具有极低的欧姆值分流器，以最大限度地减小分流器的测量误差。标准分流器是一个 50mΩ 的 4 端电阻，但通过 6 个 100mΩ 电阻旁路，得到一个 12.5mΩ 的分流电阻（图 4）。

图4.MAX9938EV标准分流器为50mΩ、4端电阻（R1）。R1由6个100mΩ电阻旁路，得到一个12.5mΩ分流器。

因此，评估板的传输比从2.5V/A降至625mV/A。现在，可以使用用于整个分析过程中所有测量的相同DVM测量电压输出。

输出电流通过使用相同的数字电压表（DVM）测量评估板输出端0.1Ω串联电阻两端的电压来确定。这种方法确保所有电流和电压读数仅通过电压测量进行。在所有测量中使用相同的DVM基本上消除了测试齿轮中的任何校准误差。系统如图5所示。

图5.系统框图。

将电压测量结果输入Excel电子表格，®以计算输入/输出电流和输入/输出电压测量值。绘制了三种电源电压的系统效率图表（表1和图6）。

 

表 1.性能测试结果
5V 时的测量 （标称）
V在	4.98	4.97	4.94	4.93	4.91	4.89	4.86	4.83	4.81
V外	4.91	16.27	16.7	16.89	16.98	16.98	17.01	17.85	17.99
电流在 （A） 中	0.04	0.50	1.03	1.47	1.97	2.44	3.05	3.36	3.79
电流输出 （A）	0	0.13	0.28	0.41	0.54	0.67	0.82	0.86	0.95
电源输入 （W）	0.17	2.50	5.07	7.24	9.67	11.93	14.82	16.23	18.24
电源输出 （W）	0	2.18	4.71	6.91	9.24	11.33	13.91	15.42	17.13
效率 （%）	0	87.04	92.81	95.40	95.52	94.92	93.88	95.03	93.90
4V 时的测量 （标称）
V在	4.02	4	3.97	3.96	3.94	3.92	3.89	3.88	3.85
V外	3.95	16.1	16.65	16.89	17.14	17.36	17.56	17.74	17.88
电流在 （A） 中	0.03	0.50	1.08	1.45	1.91	2.44	3.21	3.38	4.08
电流输出 （A）	0.00	0.11	0.24	0.32	0.42	0.52	0.66	0.69	0.80
电源输入 （W）	0.13	1.98	4.27	5.75	7.53	9.55	12.50	13.10	15.71
电源输出 （W）	0.00	1.74	4.01	5.47	7.22	9.10	11.59	12.15	14.32
效率 （%）	0.00	87.64	94.01	95.12	95.79	95.29	92.73	92.77	91.18
3V 时的测量 （标称）
V在	3.01	2.99	2.976	2.957	2.94	2.924	2.885	2.867
V外	2.95	16.07	16.45	16.73	16.86	17.11	17.37	17.45
电流在 （A） 中	0.03	0.56	1.02	1.52	1.96	2.40	3.46	3.88
电流输出 （A）	0.00	0.09	0.17	0.25	0.31	0.38	0.51	0.57
电源输入 （W）	0.10	1.66	3.02	4.49	5.77	7.02	9.98	11.11
电源输出 （W）	0.00	1.43	2.75	4.22	5.28	6.42	8.84	9.86
效率 （%）	0.00	85.91	90.86	93.80	91.50	91.37	88.55	88.70

 

图6.MAX16834 HB LED驱动器的性能数据，带3个电压电源。

测量结果显示，评估板的负载从零（所有LED熄灭）增加到满载能力（LED串上高达约1A）。数据显示，在较低的电压下，输送到输出的功率会降低。这是因为输入电源将系统的输入电流限制在约4A。这种限制也可能是电池电源的典型限制。

结论

只需对电路稍作修改，MAX16834就可以应对驱动一串HB LED的挑战。即使电池电源低至3V，整体电源转换效率也能保持在90%左右或更高。工程师现在可以使用最新技术，即高容量Li+电池，为过去需要多级功率转换的应用提供照明，这些应用本身会导致系统效率低下并缩短电池寿命。

审核编辑：郭婷