用電池容量的一半點(diǎn)亮白色LED
[導(dǎo)讀]無(wú)論將其用做指示器還是用來(lái)照明，LED的效率、可靠性和成本都是難超越的。白色LED用作照明光源就像它用LCD背景光源一樣，正在迅速普及，但是由于其正向電壓一般為3~5V，用一節(jié)電池驅(qū)動(dòng)白色LED顯然存在種種困難。
無(wú)論將其用做指示器還是用來(lái)照明，LED的效率、可靠性和成本都是難超越的。白色LED用作照明光源就像它用LCD背景光源一樣，正在迅速普及，但是由于其正向電壓一般為3~5V，用一節(jié)電池驅(qū)動(dòng)白色LED顯然存在種種困難。本設(shè)計(jì)利用單柵施密特倒相器，例如Texas Instruments 公司(www.ti.com)的SN74AUC1G14或者Fairchild 公司(www.fairchildsemi.com)的NC7SP14 的超低工作電壓性能(圖1)。當(dāng)首先加上電池電源時(shí)，肖特基二極管D1導(dǎo)通，大家熟悉的施密特觸發(fā)器非穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器開(kāi)始振蕩，振蕩頻率取決于定時(shí)元件C2和R1。當(dāng)IC1的輸出變?yōu)楦唠娢粫r(shí)，晶體管Q1導(dǎo)通，電感器L1中的電流開(kāi)始逐漸增大。
電感器電流的最大電平，即峰值電平為IL(PEAK)=(VBATT-VCE(SAT))×tON/L1，式中VBATT為所加的電池電壓，VCE(SAT)為Q1的飽和電壓，而tON為施密特觸發(fā)器輸出高電平脈沖的持續(xù)時(shí)間。如果Q1的飽和電壓譬如說(shuō)低于50 mV，則可以忽略VCE(SAT)并將公式簡(jiǎn)化為IL(PEAK)=VBATT×tON/L1。
在tON結(jié)束時(shí)，倒相器輸出變?yōu)榈碗娢唬琎1截止，電感器L1兩端的電壓極性反轉(zhuǎn)。由此產(chǎn)生的"逆轉(zhuǎn)"電壓立即使Q1的集電極電壓升高到超過(guò)VBATT，并使串聯(lián)的LED和D2正向偏置。這一動(dòng)作使LED因有等于IL(PEAK)的最大正向電流流過(guò)而發(fā)光，并將IC1的供電電壓VBOOT升高到比VBATT還大的一個(gè)二極管壓降。此時(shí)D1是反向偏置的，而且反向偏置的時(shí)間與電路保持振蕩的時(shí)間相同。由此產(chǎn)生的IC1的"自舉"電源電壓確保非穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器即使在VBATT降低到很低電平時(shí)仍能夠繼續(xù)工作。C2的電容值和R1的阻值應(yīng)選擇得能產(chǎn)生幾微秒的時(shí)間常數(shù)，從而允許電感器L1的電感值很小。例如，一個(gè)參數(shù)值分別為C2=68 pF，R1=39 kΩ和L1=47μH的測(cè)試電路在VBATT=1V時(shí)產(chǎn)生約為150 kHz的工作頻率。由此得到的tON=3μs這一參數(shù)值可導(dǎo)致約為65 mA的峰值電感器電流，并使白色LED產(chǎn)生極高的亮度。即使VBATT小至500 mV，相應(yīng)的33 mA峰值電流仍可產(chǎn)生足夠的LED發(fā)光強(qiáng)度。
為了在最低電源電壓下維持高峰值電流，并因而產(chǎn)生足夠的LED亮度，電感值應(yīng)該盡可能小些。然而，L1也不能太小，否則峰值電流在VBATT為最大值時(shí)就可能超過(guò)LED的額定最大電流。切記電感器應(yīng)該有足夠大的額定電感值，以保證其在最大峰值電流值時(shí)不會(huì)飽和。開(kāi)關(guān)晶體管Q1應(yīng)該具有很低的飽和電壓，以便將損耗降到最低并產(chǎn)生盡可能最高的峰值電流。增加D3和C4兩個(gè)元件，能使電路產(chǎn)生一個(gè)輔助電源電壓VAUX，供用來(lái)驅(qū)動(dòng)低功耗電路，而不會(huì)對(duì)LED的亮度產(chǎn)生不利影響。在電池電壓為1V時(shí)，該測(cè)試電路能使白色LED產(chǎn)生良好的發(fā)光強(qiáng)度，并可向輔助負(fù)載輸出4.7V電壓和幾乎1.5 mA的電流。即使在VBATT=500 mV時(shí)，該測(cè)試電路也可為10kΩ負(fù)載提供340 μA的電流，并維持足夠大的LED亮度。要注意的是，IC1無(wú)法從輔助電路獲得供電，因?yàn)閂AUX很容易超過(guò)所建議的兩類(lèi)器件的最大額定電壓。
最小啟動(dòng)電壓主要取決于用做D1的器件。采用高質(zhì)量肖特基二極管的種種測(cè)試表明，最小加電電壓只有800mV。你只要用pnp晶體管Q2替代D1，就可進(jìn)一步降低最小啟動(dòng)電壓電平(圖1b)。這種改進(jìn)使得測(cè)試電路在室溫下僅需650 mV就可以啟動(dòng)。但要注意的是，Q2的集電極-基極結(jié)在靜態(tài)條件下變成正向偏置，從而造成其基極偏置電阻浪費(fèi)電能。該電路盡管非常簡(jiǎn)單，但卻能使高亮度LED產(chǎn)生引人入勝的效果。Lumileds公司(www.lumileds.com)生產(chǎn)的Luxeon系列LED能使該電路顯示出其威力。在將L1降低到10μH和VBATT=1V的條件下，該電路能在Luxeon LXHL-PW01白色LED中產(chǎn)生了220 mA的峰值電流，從而產(chǎn)生耀眼的光強(qiáng)度。
圖1 這一電路利用超低電池電壓，可使白色LED產(chǎn)生耀眼的強(qiáng)度 (a)。經(jīng)過(guò)一項(xiàng)改進(jìn)之后，該電路可以使用更低的電池電壓 (b)。
在tON結(jié)束時(shí)，倒相器輸出變?yōu)榈碗娢唬琎1截止，電感器L1兩端的電壓極性反轉(zhuǎn)。由此產(chǎn)生的"逆轉(zhuǎn)"電壓立即使Q1的集電極電壓升高到超過(guò)VBATT，并使串聯(lián)的LED和D2正向偏置。這一動(dòng)作使LED因有等于IL(PEAK)的最大正向電流流過(guò)而發(fā)光，并將IC1的供電電壓VBOOT升高到比VBATT還大的一個(gè)二極管壓降。此時(shí)D1是反向偏置的，而且反向偏置的時(shí)間與電路保持振蕩的時(shí)間相同。由此產(chǎn)生的IC1的"自舉"電源電壓確保非穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器即使在VBATT降低到很低電平時(shí)仍能夠繼續(xù)工作。C2的電容值和R1的阻值應(yīng)選擇得能產(chǎn)生幾微秒的時(shí)間常數(shù)，從而允許電感器L1的電感值很小。例如，一個(gè)參數(shù)值分別為C2=68 pF，R1=39 kΩ和L1=47μH的測(cè)試電路在VBATT=1V時(shí)產(chǎn)生約為150 kHz的工作頻率。由此得到的tON=3μs這一參數(shù)值可導(dǎo)致約為65 mA的峰值電感器電流，并使白色LED產(chǎn)生極高的亮度。即使VBATT小至500 mV，相應(yīng)的33 mA峰值電流仍可產(chǎn)生足夠的LED發(fā)光強(qiáng)度。
為了在最低電源電壓下維持高峰值電流，并因而產(chǎn)生足夠的LED亮度，電感值應(yīng)該盡可能小些。然而，L1也不能太小，否則峰值電流在VBATT為最大值時(shí)就可能超過(guò)LED的額定最大電流。切記電感器應(yīng)該有足夠大的額定電感值，以保證其在最大峰值電流值時(shí)不會(huì)飽和。開(kāi)關(guān)晶體管Q1應(yīng)該具有很低的飽和電壓，以便將損耗降到最低并產(chǎn)生盡可能最高的峰值電流。增加D3和C4兩個(gè)元件，能使電路產(chǎn)生一個(gè)輔助電源電壓VAUX，供用來(lái)驅(qū)動(dòng)低功耗電路，而不會(huì)對(duì)LED的亮度產(chǎn)生不利影響。在電池電壓為1V時(shí)，該測(cè)試電路能使白色LED產(chǎn)生良好的發(fā)光強(qiáng)度，并可向輔助負(fù)載輸出4.7V電壓和幾乎1.5 mA的電流。即使在VBATT=500 mV時(shí)，該測(cè)試電路也可為10kΩ負(fù)載提供340 μA的電流，并維持足夠大的LED亮度。要注意的是，IC1無(wú)法從輔助電路獲得供電，因?yàn)閂AUX很容易超過(guò)所建議的兩類(lèi)器件的最大額定電壓。
最小啟動(dòng)電壓主要取決于用做D1的器件。采用高質(zhì)量肖特基二極管的種種測(cè)試表明，最小加電電壓只有800mV。你只要用pnp晶體管Q2替代D1，就可進(jìn)一步降低最小啟動(dòng)電壓電平(圖1b)。這種改進(jìn)使得測(cè)試電路在室溫下僅需650 mV就可以啟動(dòng)。但要注意的是，Q2的集電極-基極結(jié)在靜態(tài)條件下變成正向偏置，從而造成其基極偏置電阻浪費(fèi)電能。該電路盡管非常簡(jiǎn)單，但卻能使高亮度LED產(chǎn)生引人入勝的效果。Lumileds公司(www.lumileds.com)生產(chǎn)的Luxeon系列LED能使該電路顯示出其威力。在將L1降低到10μH和VBATT=1V的條件下，該電路能在Luxeon LXHL-PW01白色LED中產(chǎn)生了220 mA的峰值電流，從而產(chǎn)生耀眼的光強(qiáng)度。
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