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指定萧特基二极体用于LED背光升压转换时的考量
 

【作者: Steven Shackell】2016年05月19日 星期四

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总是有越来越多的功能挤进行动电子装置(如智慧型手机)。同时,工程师正面临严格的压力,要延长这些装置每次充电完的续航力,以及将造型更时尚的装置模型引入市场。需要更小的组成元件和减小功耗。功耗的主要来源之一是使用升压转换器驱动显示器背光。因此,指定萧特基二极体元件至关重要。本文将详细着眼于选择过程中应采取的不同步骤。


用于现代行动电子装置设计的LED背光中的升压转换器往往会消耗大量功率,通常占据装置总功率预算的最大比例并耗尽电池。因此它们的运行需要尽可能的高能效。萧特基二极体是实现背光升压转换器的一个组成部分。一个合适的萧特基二极体将对保持升高的升压转换器能效产生重要影响:电池充电间隔可延长,更多扩展的功能设置能被纳入系统设计。


在着手萧特基二极体规格和采购前,深刻了解升压转换器机制很重要。背光通常采用白光LED发射源。有一个顺向电压,通常在3.0 V至3.6 V间。一般来说,行动电子装置采用单节锂电池,工作电压范围在2.5 V至4.2 V间。当锂电池电压降至2.5 V,将没有足够的电压用于直接驱动LED。这是采用升压转换器的原因。锂电池电压作为升压转换器的输入电压。输出电压值将来自所需的顺向电压以驱动LED,形成这些LED已被排列的背光和配置。一些系统设计将采用一个串排列,而另一些则需要两个串列。考虑到LED顺向电压(如上所述)将在约3.0 V至3.6 V间,这将导致输出电压为18 V至36 V。


工作周期

升压转换器的工作周期(D)可使用如下所示的一些理想化等式来确定。通常升压转换器工作周期将在区域内的80%至90%。这意味着MOSFET将导通用于约90%的工作周期,以便电感磁场可充电。


当MOSFET导通,萧特基二极体反向偏压(输出电压从阴极到阳极)。当MOSFET关断,电感上已累积的能量随后通过萧特基二极体放电至输出电容,并依次进入LED串(或串列)。输出电容获得的电荷在周期的这一阶段足以为LED提供恒定电流,这时MOSFET重启下一周期。若在系统添加一个精密电阻(与LED串串联) ,能测量到一个很小的电压,可藉由这个电压向控制器提供反馈。


升压转换器电流

想要为背光系统指定一个萧特基二极体时,了解出现在升压转换器内的不同电流有其价值。这些电流的细节如图1所示。有如下电流:


1. 平均输入电流(IIN(avg))— 萧特基二极体顺向偏压时也是它的平均电流。


2. 峰值电感电流(IPK)— 这是当MOSFET关断时限制萧特基二极体的电流。该值将线性消退,随着电感磁场强度减弱,直到MOSFET重启下一周期。


3. 输出电流(VOUT)— 这是由纳入系统的控制器设定。对于LED背光,每一LED串的输出电流通常介于15 mA至25 mA间。


升压转换器的IP可通过计算,而INN(avg)值可使用确定。



图1 : 升压转换器电流
图1 : 升压转换器电流

关键参数对选择萧特基二极体的影响

为背光系统指定萧特基二极体时,有许多参数需要考虑。其中最重要的是:


1. 顺向额定电流(IF)— 这是元件能承受的最大直流电流。跟IPK与IIN(avg)的和有直接关系。 IF应大于IIN(avg),将充分发挥效能。


2. 反向电压(VR)— 定义为反向偏压时可施加到二极体的最大电压。如果正探讨升压转换器的实施,这电压将等同于该转换器的输出电压。建议升压转换器的控制器应内置过压保护(OVP)机制,确保避免电压突波或尖峰产生的运行故障。萧特基二极体的VR应尽可能接近OVP阈值,以充分提高运行能效。


3. 顺向额定突波电流(IFSM)— 这是在电压突波期间以单个脉冲的形式,二极体能承受的最大电流。


4. 重复峰值顺向电流(IFRM)— 同样,这是暴露于连续脉冲下可承受的最大电流。萧特基二极体的额定IFRM值将小于其额定IFSM值。


5. 反向漏电流(IR)和顺向电压(VF)— 这两个参数应同时考虑而不是单独考虑。过去认为升压转换器的VF越低,萧特基二极体的性能越好。但已不再那么简单,半导体工艺技术的发展意味着使用较低VF的元件现在可导致不良影响,归咎于相对高的漏电流。在用于行动电子装置的LED背光时,应用中输出/输入电压比非常高,这样的漏电流将是个问题。由于萧特基二极体大部分时间将反向偏压,漏电流将对二极体的功耗施加重大影响。因此仅挑选具有最低VF的二极体并不够。更明智的方法是结合IR和VF,然后探讨这两个参数对二极体总功耗的影响,从而确保优化用于计画的升压转换器的实施。


元件封装

萧特基二极体的封装必须考虑封装尺寸和封装方式。热管理对升压转换器的实施非常重要,尤其是当行动电子产品的设计越来越受到空间的限制(更多的元件被封装进更小的外壳)。通过控制二极体的接面温度,元件的运行寿命可延长。但如果很少或没有散热的余地,选择具有高热传导率和从裸晶到PCB的短热路径的封装格式,将使热量大量散发,因而极其有益。可提供的不同封装方式及各自的热能效详细资讯如图2所示。


从四方平面无引脚(QFN)逐渐发展到离散的平面无引脚(DFN),再到双矽无引脚(DSN)封装方式,已实现热能效水准的稳定改善。 DSN提供特别高的热能效是因为它缩短了裸晶和已安装二极体的PCB之间的热路径。藉由去除导线架,显著降低热阻率。


关于封装尺寸,面板空间限制意味着工程师必须采购更小封装的功率IC和离散元件,这又需要更小的裸晶。对于萧特基二极体,裸晶越小,越高VF,因为这直接关系到萧特基接触面积。然而当裸晶尺寸变小,漏电流减小。使用等式4和5规定的功耗计算,工程师可看到采用更小封装将承担的各种取舍。主要根据封装尺寸来选择萧特基二极体是不明智的。最大的可接受的封装尺寸应该是已知的,但应当从理论上考虑所有比这更小的封装格式并检查其可行性。



图2 : 装技术的进步使热能效的改善成为可能
图2 : 装技术的进步使热能效的改善成为可能

总之,选择合适的萧特基二极体是构建LED背光升压转换器的基础。需要考虑许多不同因素,但如果指定了正确的元件,就可延长行动电子装置的电池使用时间。与提供多元产品阵容的二极体制造商联系,可找到完全适合特定需求的产品,无须作出不必要的折衷。


(本文作者Steven Shackell任职于安森美半导体)


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