锂电池供电、低压高亮度(HB) LED解决方案

　　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。

　　　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

　　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

　　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

　　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。

　　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

　　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和图6)。
表1. 性能测试结果

 

　　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。