吳彥倫 董理 曾聰

【摘要】本設(shè)計(jì)的白光LED恒流驅(qū)動(dòng)主回路是以高頻低功耗升壓轉(zhuǎn)換器TPS61040為核心，利用MSP430F149的低功耗特性，采用其內(nèi)部12位AD采樣，配合外部12位DA芯片TLV5616實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)白光LED恒流電路的控制和設(shè)定，使用按鍵對(duì)輸出電流實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確步進(jìn)，為了必要的顯示功能，還配備了12864液晶對(duì)采樣電流值進(jìn)行顯示。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，燈光亮度可按鍵控制，避免了現(xiàn)在市面上存在的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、效率低等缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】LED;高頻低功耗轉(zhuǎn)換器;采樣;TLV5616

1.引言

根據(jù)能量來源的不同，LED驅(qū)動(dòng)電路總體上可分為兩類，一是AC/DC轉(zhuǎn)換，能量來自交流市電，二是DC/DC轉(zhuǎn)換，能量來自干電池、可充電電池、蓄電池等。根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)原理的不同，又可以分為線性驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。線性電路成本低，價(jià)格便宜，但效率較低，一般不會(huì)超過60 %。開關(guān)電路效率高，一般可達(dá)80 %左右，成本稍高。TPS61040作為一種高效BOOST的LED驅(qū)動(dòng)芯片，輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍為1.8V～6.0V（實(shí)際測(cè)得最低可以到1.5V），而輸出最高可達(dá)28V，其峰值400mA的輸出電流意味著最大可以驅(qū)動(dòng)數(shù)十個(gè)LED。

2.總體電路設(shè)計(jì)

總體電路設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)采用3.3V電壓供電，系統(tǒng)主控芯片MSP430F149負(fù)責(zé)對(duì)輸出電流值進(jìn)行采樣并顯示，并能夠通過12位超低功耗串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5616對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制輸出電流的目的。為提高軟件設(shè)計(jì)性能，按鍵部分采用中斷的方式對(duì)輸出電流值實(shí)現(xiàn)1-22mA每次步進(jìn)3mA的加減循環(huán)步進(jìn)。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

3.總體設(shè)計(jì)恒力源驅(qū)動(dòng)部分

驅(qū)動(dòng)電路采用TI公司的DC/DC芯片TPS61040，它是一款高頻低功耗升壓轉(zhuǎn)換器，專門用于中、小型LCD偏壓和白光LED背光照明。

3.1 TPS61040的封裝及引腳說明

TPS61040采用SOT-23-5或SON-6封裝，其引腳功能說明如表1所示。

表1 TPS61040引腳功能說明

引腳名稱 引腳號(hào) 引腳功能說明

SOT-23 SON-6

EN 4 3 使能端。當(dāng)該引腳接地時(shí)，芯片處于關(guān)斷模式，工作電流小于1uA

FB 3 4 反饋端。通過反饋原件與輸出端相連，

從而控制輸出電壓

GND 2 1 地

NC NC 5 無連接

SW 1 6 開關(guān)端。外接電感和肖特基二極管，內(nèi)部與功率MOS管漏極連接

Vin 5 2 電源端

3.2 TPS61040作為恒流源的典型應(yīng)用電路

用TPS61040作為恒流的LED驅(qū)動(dòng)芯片，電路可以采用兩種形式：采用PWM控制或基準(zhǔn)電壓控制，分別如圖2和圖3所示。TPS61040的FB（反饋）腳檢測(cè)輸出電壓，只要反饋電壓低于參考電壓（典型值1.233V），則內(nèi)部開關(guān)管Q1導(dǎo)通，電流增大;當(dāng)電感L1電流達(dá)到內(nèi)部設(shè)置峰值電流ILM（400mA）時(shí)Q1截止，另外為應(yīng)付極端條件以限制最大導(dǎo)通時(shí)間，在導(dǎo)通時(shí)間超過6us（典型值）時(shí)Q1也會(huì)截止。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，流過L1的電流中斷會(huì)升高電感上的電壓，使外部的肖特基二極管D1正偏并導(dǎo)通，D1作續(xù)流二極管保證電流輸出，為輸出電容器C1充電至一個(gè)較高電壓，這個(gè)電壓高于單獨(dú)的輸入電壓VIN。

在實(shí)際控制中，采用PWM的方式不需要外接其他原件，可以直接用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，通過改變其占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，但TPS61040作為BOOST芯片，本來就有開關(guān)帶來的紋波，采用PWM方式的紋波會(huì)比較大，也不利于對(duì)輸出電流的采樣。采用基準(zhǔn)電壓控制的方法，需要外加一個(gè)DA芯片，增加了成本，但是其控制方式簡單精確，產(chǎn)生紋波小，利于采樣及反饋控制。本設(shè)計(jì)采用基準(zhǔn)電壓控制的方法，通過對(duì)FB端的反饋電壓（VFB=1.233V）的改變控制輸出電流，而使用FB端控制TPS61040輸出時(shí)，其輸出電流與DAC輸出電壓成反比且非線性，故使用了12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5616來控制恒流驅(qū)動(dòng)電路，其在3.3V基準(zhǔn)電壓時(shí)精度可達(dá)0.008mV，可滿足一次步進(jìn)3mA的設(shè)計(jì)需要，同時(shí)二極管使用肖特基二極管以實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)和高效率。

TPS61040的最大開關(guān)頻率可達(dá)1MHZ，電感與額定負(fù)載電流，輸入和輸出電壓一起決定開關(guān)頻率：

式中，Ip為峰值電流，L為所選電感大小，大約10-50uH左右，電感值選取越小，開關(guān)頻率越大，輸出的紋波也就越小，可以根據(jù)具體輸出精度要求選取電感大小。VIN（max）是最大開關(guān)頻率時(shí)的最小輸入電壓，本設(shè)計(jì)按鍵設(shè)定電路最大輸出電流為22mA，TPS61040的峰值電流為400mA，根據(jù)下式計(jì)算得最大轉(zhuǎn)換頻率，，滿足條件，則接下來需要計(jì)算最大負(fù)荷電流：

式中，是預(yù)計(jì)的最大轉(zhuǎn)換頻率，η是期望的轉(zhuǎn)換效率，一般在75%-85%。

則最大輸出電流ILOAD（MAX）=0.4A，大于最大輸出電流22mA，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.測(cè)試

4.1 電流精度測(cè)試

由于電源電壓的非完全穩(wěn)定輸出導(dǎo)致了DAC基準(zhǔn)電壓的變化，從而使得控制信號(hào)的不穩(wěn)定，造成了平均電流的出現(xiàn)的范圍允許的誤差。

4.2 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率

給定輸入電壓3.3V，當(dāng)輸入電流0.1A，輸出電壓16.7V，輸出電流16mA，此時(shí)的轉(zhuǎn)換效率為80.97%。當(dāng)輸出電流達(dá)到22mA時(shí)，輸出電壓17.74V，輸入電流為0.14A，此時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到84.47%。

5.結(jié)論

本設(shè)計(jì)使用TPS61040，結(jié)合單片機(jī)控制，提供了一種高效率，可循環(huán)步進(jìn)設(shè)定輸出電流的LED驅(qū)動(dòng)電路，轉(zhuǎn)換效率較高，電路簡潔易控制，克服了現(xiàn)有LED驅(qū)動(dòng)電路中，存在的效率低，電路復(fù)雜的缺陷。在測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸出電流較小時(shí)，由于單片機(jī)并沒有采用低功耗模式，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率不到70%，可以通過啟動(dòng)MSP430的低功耗減小在單片機(jī)上的電能消耗，另外在電路的FB反饋端使用一小電容接地，可使反饋引腳的紋波電壓降到50mV以下，從而更加精準(zhǔn)的控制輸出電流。

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作者簡介：吳彥倫（1992—），大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院。