使用電阻限流之LED設計
限流電阻試算(1)
LED驅動器的選擇和設計
作者：Michael Day, Texas Instruments 本文刊登於電子工程專輯 2004年7月號
介紹
今日的許多可攜式消費電子產品都有顯示螢幕，例如行動電話、呼叫器、PDA和MP3播放機，雖然螢幕的種類和大小通常是根據應用決定，但設計工程師卻必須負責為它設計電源和照明電路。包含TFT在內的絕大多數顯示器都需要背光照明，這樣使用者才能看到螢幕上的圖形和文字，白光LED是可攜式消費電子產品目前最常採用的照明裝置。這篇文章將針對如何選擇正確的白光LED驅動器，概要介紹適當的驅動器、它們的限制以及優缺點之間的取捨；文中將討論選擇白光LED驅動器時，所需評估的元件特性、提供元件的選擇標準以及實際的設計範例和佈局考量。
首先對基本原理做簡單的回顧。電流通過白光LED會使它發出可見光，由於發出的光線涵蓋整個可見光譜，所以看起來是白色，其強度正比於通過白光LED的順向電流，也就是從陽極到陰極的電流總值。工程師必須找出推動這個LED電流的最佳方法，並在各種系統層級考量間取得完美平衡，例如效率、成本和穩流誤差的容忍範圍。
恆壓與恆流的比較
驅動白光LED的主要目標是產生順向電流通過元件，這可藉由恆電壓源或恆電流源來達成。圖1是成本最低的解決方案，它將白光LED串聯一顆限流電阻，再於電路的兩端加上恆壓源。然而這種方法有其缺點，限流電阻會限制通過的電流，白光LED的非線性V-I曲線也讓這種方法的穩流能力非常差；除此之外，只要外加電壓或白光LED的順向電壓有任何變動，白光LED的電流都會改變。當額定順向電壓為3.6 V時，會有20 mA電流通過圖1的白光LED，若溫度或製程改變讓此電壓變為4.0 V (仍在正常的3 V至4 V容忍範圍內)，順向電流就會下降至14 mA；換言之，順向電壓只要改變11%，順向電流就會出現30%的大幅度變動。這種白光LED電流的極端改變會影響顯示器亮度，其程度是許多應用所無法接受的。
圖1：採用限流電阻和恆壓源
比較理想的白光LED驅動方式是採用恆電流源，它能避免白光LED順向電壓改變而造成的電流變動 使用可控制的固定順向電流，就能提供可控制的固定顯示亮度。恆流源的產生非常簡單，控制器不需將電源供應輸出穩壓，而是如圖2所示，直接針對電流感測電阻的兩端電壓進行穩壓，此時通過白光LED的電流是由電源供應的參考電壓值和電流感測電阻值來決定。絕大多數顯示器都需要多顆白光LED，若設計人員可以很有彈性的驅動多顆白光LED，他們應將所有白光LED串聯，確保每顆白光LED的電流都相同。若要以並聯方式推動白光LED，每顆白光LED都必須串聯一顆限流電阻，避免通過它們的電流出現差異，但是這些電阻也會浪費電力，降低電路效率。 
圖2：電感式恆流源
電感式驅動器和電荷泵浦驅動器的比較
所有專為驅動白光LED而設計的元件都提供固定電流，其中絕大多數是以電感或電荷泵浦為基礎的解決方案，這兩種解決方案各有其優缺點。電荷泵浦解決方案或稱為交換式電容解決方案，它會利用離散電容將電源從輸入端傳送至輸出端，整個過程不需使用任何電感，所以是相當受歡迎的解決方案。電荷泵浦電源供應的體積很小，設計也很簡單，選擇零件時通常只需根據元件規格表從中挑選正確的電容。電荷泵浦解決方案的主要缺點是它只能提供有限的輸出電壓範圍，絕大多數電荷泵浦元件的轉換比最多只能達到輸入電壓的兩倍，這表示輸出電壓不可能高於輸入電壓的兩倍，因此若想利用電荷泵浦驅動一顆以上的白光LED，就必須採用並聯驅動的方式。利用只能對輸出電壓進行穩壓的電荷泵浦驅動多顆白光LED時，必須使用限流電阻來防止電流分配不平均，這個電阻會減少電池的使用時間。
但是專為驅動白光LED而設計的新型電荷泵浦元件已開始將電流共享電路直接加入元件中，例如TPS60230電荷泵浦解決方案就能產生電壓提供給多個並聯的LED陽極，每顆白光LED的陰極則會直接連線到元件的不同接腳，元件內部電路會提供穩流功能，使得每顆白光LED的通過電流相差不到0.3%，而且不需要外接電阻。絕大多數以電荷泵浦為基礎的解決方案都能讓轉換效率達到60%至85%的可接受水準，更先進的電荷泵浦元件還提供分數轉換模式 (fractional conversion mode)，它能在輸入電壓改變時自動切換到最有效率的轉換模式。
電感式解決方案的體積很小，效率很高，適合為絕大多數消費性產品提供更長的電池使用時間。本文將會證明，設計人員可以調整電感式轉換器的效率，以便在體積和效率之間取得最佳平衡。由於大多數電感式解決方案都是採用升壓轉換器 (圖2)，它們最多能驅動六顆或七顆串聯的白光LED，這種做法有其優點，因為許多顯示器內建的白光LED都採用串聯模式；就算並未將白光LED內建至顯示器螢幕，大多數工程師還是會將它們串聯在一起。背光驅動器和白光LED通常會在不同的電路板上，因此必須將電源從一張電路板連接至另一張電路板；驅動五顆並聯的白光LED共需使用連接器的六隻接腳，驅動串聯在一起的五顆白光LED只需要兩隻接腳。
白光LED驅動器的特性
許多應用的螢幕需要背光調整功能，例如PDA等產品的使用者就能調整螢幕亮度，以配合周圍環境的照明情形，還有許多產品的處理器會在系統閒置一段時間後，自動降低或切斷背光電源，例如行動電話就是如此。調光功能的實作方法可分為兩種：類比和脈衝寬度調變 (PWM)。採用類比調光技術時，只需將白光LED的電流降至最大值的一半，就能讓螢幕亮度減少50%。這種方法的缺點包括LED光色會移動，而且需要類比控制訊號，但應用產品通常並未提供這類訊號。PWM調光技術會提供完整電流給白光LED，但會減少電流負載週期 (duty cycle)，進而達成調光的要求，例如要將亮度減半，只需50%的負載週期提供完整電流。PWM訊號頻率通常會超過100 Hz，確保這個脈衝電流不會被眼睛察覺，PWM頻率的最大值需視電源供應的啟動和反應時間而定；為了得到最大彈性，同時讓整合更簡單，白光LED驅動器最高應能接受50 kHz的PWM頻率。調光訊號通常來自於系統處理器的GPIO接腳。
為了因應可能出現的開路故障，固定電流的白光LED驅動器需要過電壓保護功能。如同前面所述，白光LED和驅動器通常在不同的電路板，因此連接器的接腳脫落就會造成開路故障，另一個可能性則是白光LED故障成為開路；無論是那一種情形，驅動器為了提供固定電流，都會增加它的輸出電壓，此時若無保護電路，輸出電壓很快就會升高，對元件或輸出電容造成損害。保護驅動器的最簡單方法是選擇內建過電壓比較器的元件，並利用此功能來限制最大輸出電壓，例如TPS61043就具備這項功能。齊納二極體也可用來限制最大輸出電壓，然而這種做法的效率極差，因為在故障期間，會有預先設定的最大電流通過齊納二極體。
負載切斷功能是白光LED驅動器電源供應常被忽略的特色之一，電子式負載切斷功能可於電源供應關掉後，將白光LED與輸入電源之間的連線切斷，這項功能在下面兩種情形非常重要：關機和PWM調光。如同圖2所示，就算升壓轉換器的電源被切斷，負載仍會經由電感和逆向電壓保護二極體 (catch diode) 連接到輸入端。由於輸入電源仍連接至白光二極體，就算電源供應停止工作，依然會有很小的電流繼續通過。可攜式產品可能有高達95%的時間處於待命狀態，就算洩漏電流非常小，電池壽命也會大幅減少。負載切斷功能對於PWM調光也很重要，因為在PWM截止導通期間，電源供應雖然不供應電流，但輸出電容卻仍連接至LED，若沒有負載切斷功能的協助，輸出電容就會透過LED繼續放電，直到調光脈衝讓電源供應進入導通狀態。由於輸出電容在每個調光週期剛開始時都處於部份放電狀態，電源供應也必須在週期開始時對這些輸出電容進行充電，使得每個週期都會出現湧入電流尖波，這個湧入電流不但降低系統效率，還會在輸入電源線路上造成電壓暫態變動。有了負載切斷功能，LED與電路的連線就會切斷，當電源供應停止導通時就不會有洩漏電流，輸出電容也能在PWM調光週期之間保持滿電位狀態。負載切斷電路的最佳實作方式是在LED和電流感測電阻之間加入MOSFET電晶體，因為將MOSFET電晶體加在電流感測電阻和地線之間會造成額外的電壓降，此電壓還會成為輸出電流設定點的誤差電壓。
設計範例概述
瞭解各種白光LED驅動法的優缺點後，現在就能開始應用這項知識。在此範例中，我們將會設計手機螢幕的白光LED驅動器，由於它是一部多功能手機，因此電源是由輸入電壓在2.7 V至4.2 V之間的鋰離子電池供應。手機螢幕內建四顆串聯的白光LED，每顆的最大順向電流為20 mA，這種設計需要20 mA最大輸出電流和4 × 4 V = 16 V電壓。該手機規格要求螢幕亮度調整功能，讓手機閒置一段時間後，能夠逐漸降低螢幕亮度。系統處理器通常是由OMAP元件擔任，負責提供PWM調光功能所需的數位訊號。電池壽命是主要考量，因此效率應儘量提高。行動電話螢幕大約有98%的時間處於待命模式，因此需要真正的負載切斷功能，以便延長電池的使用時間。行動電話受到體積限制，需要小型的整合式解決方案，TPS61043則是滿足這些要求的最佳選擇，它是功能完全整合的電感式升壓轉換器，內建功率FET電晶體，也是專為白光LED而設計的驅動元件。TPS61043採用3 × 3釐米QFN封裝，還提供負載切斷、過電壓保護和PWM調光功能，1 MHz開關頻率讓此元件能夠使用體積最小的外部零件。
元件資料表提供數種典型的應用電路，我們將它做為這項設計的起始點，圖4就是這些線路圖之一，它似乎能提供本設計所需的功能。工程挑戰在於選擇正確的外部零件，同時完成適當的電路圖佈局。電流感測電阻是最容易挑選的零件，正確的電阻值是由元件參考電壓0.252 V除以所要求的白光LED最大電流0.02 A所決定，此處相當於12.6 Ω，接著只需選擇最接近這個值的標準電阻即可。注意電阻上的功耗只有0.02A2 × 12.6 Ω，也就是5 mW，因此選擇0402外型的電阻器以節省電路板面積。
選擇電感
選擇適當的電感不僅對確保設計符合效率要求很重要，也能配合有限的電路板面積。電感的選擇必需考慮三項參數：電感值、飽和電流和線圈阻抗 (DCR)。如同所有的交換式轉換器，選擇電感就是在效率和電路板面積間做出取捨，較大的電感值提供更小的阻抗、更高的效率和更大的飽和電流額定值。較小的電感則使用較少的電路板面積，飽和電流額定值也較小，但線圈阻抗卻比較大，因此整體效率較低。最後選擇的電阻值必然是電路板面積和效率之間取捨。
在傳統的升壓轉換器中，輸出電感和電容會決定轉換器的回授迴路是否穩定，因此被選中的電感、電容和補償網路零件都必須經過測試，確保電路能夠穩定工作。TPS61043包含先進的控制電路，無論使用多大的電感值，它都能確保電源供應穩定，因此不必考慮回授補償的問題。在這個控制拓樸中，開關頻率是由電感值、輸入電壓、輸出電壓和負載電流所決定，其計算公式如下：
公式1：TPS61043的開關頻率
其中： Io是白光LED的電流 (最大值0.02 A) Vo是輸出電壓 (最大值16 V) Vin是輸入電壓 (最小值2.7 V) Vf逆向電壓保護二極體 (catch diode) 的順向電壓降，此處假設為0.4 V Ilim是峰值開關電流 (總是0.4 A，由控制拓樸決定) Lout是電感值
既然體積是重要的設計參數，電源供應當然應使用很高的開關頻率，但由於電感式轉換器的開關損耗會受到開關頻率影響，因此頻率越高通常就代表效率越低。同樣的，較低的開關頻率可以提供較高效率；不幸的是，要如何選擇最適當的開關頻率，才能將轉換器開關損耗減至最少，這個問題目前仍沒有任何封閉型式 (closed form) 方程式可供求解。典型的設計程序是選擇一個接近最大可能頻率的頻率，設計轉換器，然後重新調整開關頻率和測量工作效率，接著不斷重複整個過程，直到他們發現效率令人滿意的設計為止。將開關頻率任意設為700 kHz，利用公式1可計算出電感值為4.8 μH，由於4.7 μH是業界標準的電感值，我們將電感的第一項參數，它的電感值，設為4.7 μH。
無論電源或負載的狀況如何，TPS61043控制拓樸都會將電感的峰值電流設為400 mA，因此我們將第二項電感參數，也就是飽和電流，設為400 mA。第三項參數是線圈阻抗，它會決定電感的體積，並且對設計的整體效率造成重大影響。muRata LQH32CN4R7是飽和電流為650 mA的4.7 μH電感，故能符合我們的第一項電感參數要求，也超出我們的第二項參數要求。這顆電感的線圈阻抗為150 mΩ，體積則只有3.2 × 2.5 × 1.55釐米。表1是這兩種電感的比較。
表1：電感的比較
Isat (mA) 電阻 () L (mm) W (mm) H (mm) Murata LQH32CN4R7 650 150 3.2 2.5 1.55 Coilcraft LPO1704-472 1.1 200 6.6 5.5 1.0
白光LED驅動器的效率測量和比較必須很小心。典型的電源供應效率量測值是由輸出功率除以輸入功率計算而得，但使用白光LED驅動器時，重要的輸出參數是白光LED的光輸出，但這個值的量測並不容易。白光LED提供的功率和電源供應的總輸出功率並不相同，用於效率計算的電壓應該是白光LED兩端的電壓，而不是電源供應的輸出電壓；計算工作效率時，電流感測電阻兩端的電壓不應包含在輸出功率內，這個電阻的功耗是由白光LED驅動器的參考電壓所決定，在其它因素都相同的情形下，白光LED驅動器的參考電壓越低，它的效率就越高。比較兩家製造商的產品效率時，先確認他們對於效率有著相同定義。
選擇輸入電容
輸入電容幫助穩定電源供應器的輸入電源阻抗，這在電池供電型系統中極為重要，因為在電源供應的開關頻率下，所有電池都會有很高的阻抗。若沒有輸入電容，交換式電源供應器以脈衝形式自輸入端汲取電流時，就會在輸入電源線路上產生很大的電壓漣波，進而衝擊到系統的其餘部份。這顆元件建議使用4.7 μF的陶瓷輸入電容，但設計人員可以使用更大的電容值，沒有任何限制。較小的電容值可以節省電路板面積和成本，但會增加輸入的漣波電壓，在不增加輸入電容之前題下，減少輸入漣波電壓的方法之一是提高驅動器的開關頻率，這可藉由減少電感值來達成；在較高的開關頻率下，電容阻抗變得較小，這能降低漣波電壓。
選擇輸出電容
交換式升壓轉換器的輸出電容會直接影響輸出漣波電壓，但輸出電壓對於白光LED驅動電路並不重要，因此這個設計可以使用低至0.1 μF的輸出電容。這麼小的輸出電容確實會造成很大的漣波電壓，它會讓白光LED出現很大的漣波電流，幸好漣波電流並不會對白光LED造成困擾，顯示器亮度是由白光LED平均電流決定，任何頻率在100 Hz以上的漣波電流都不會被眼睛察覺。假設白光LED電流波形的波峰為30 mA，波谷為10 mA (平均20 mA)，那麼它所產生的顯示器亮度會和20 mA直流電流完全相同。輸出電容最好是使用陶瓷電容，而且它的電壓額定值應該高於電源供應器的工作電壓，我們的輸出電壓大約是16 V，因此可以使用16 V的電容，這是因為就算在故障情形下，輸出電壓也只會上升至19 V，而陶瓷電容都是在兩倍的額定電壓下完成預燒 (burned in)，所以16 V的輸出電容仍在可接受範圍內。對於壽命極長或可靠性很高的產品，最好使用電壓額定值較高的輸出電容。
選擇逆向電壓保護二極體 (Catch Diode)
電源供應的逆向電壓保護二極體 (圖2中的D1) 很容易選擇，它需要和電感相同的峰值電流額定值，逆向電壓額定值必須大於LED兩端的電壓。順向電壓很小的蕭特基二極體可以提供最大效率。
佈局
選擇正確的元件，並為它挑選支援零件，這些都只是設計程序的一部份。電路必須正確佈局，讓它能正常工作，而且不會產生過多的系統雜訊。圖6是最後得到的白光LED驅動器線路圖以及重要的電壓和電流波形，圖7則是典型的電路板佈局。在電源供應器中，最重要的佈局約束條件就是從D1經過輸出電容到地線，再進入元件的地線接腳，然後從元件的SW接腳離開，最後再回到D1，這整個路徑所圍出來的迴路區域，這個迴路應該越短越好。C1的位置必須靠近L1，以提供波形A所示的脈衝電流，此電流從C1出發，經過L1到地線，然後再回到C1，這個實體迴路應儘量縮小。波形B是切換點 (switch node) 的電壓，它會以每秒60萬次的速度在地電位和輸出電壓之間切換，因此這個電路節點應該越短越好，減少任何可能的電磁幅射。注意波形B的電流會被分成波形C和D，這兩個路徑上的電流都非常不連續，因此路徑長度必須儘量縮短，減少電磁幅射和電路板的電壓擺動。注意輸出電容的位置很靠近電源供應，而不是靠近負載，讓輸出電容靠近電源供應後，所有開關電流將侷限在電源供應端。由於電流是從電源供應流向白光LED，波形E幾乎就是直流，負載端也不需要電容或是濾波。如果輸出電容的位置靠近白光LED，而不是電源供應電路，波形B的電流就會在兩張電路板之間流動，使得系統雜訊增加。
結論
這篇文章說明只要完成系統需求定義，正確的白光LED驅動器就更容易選擇。若想採用電感式解決方案，零件的選擇將由電源供應需求和系統需求來決定。設計人員只要瞭解每顆零件如何對系統產生影響，就能完成體積或效率最佳化的設計。如果無法在系統電路板上完成正確的電路佈局，就算是最好的系統也無法順利工作；另外，瞭解電源供應的波形對於產生可以工作的電路佈局是非常重要的。
作者：Michael Day, Texas Instruments
介紹
今日的許多可攜式消費電子產品都有顯示螢幕，例如行動電話、呼叫器、PDA和MP3播放機，雖然螢幕的種類和大小通常是根據應用決定，但設計工程師卻必須負責為它設計電源和照明電路。包含TFT在內的絕大多數顯示器都需要背光照明，這樣使用者才能看到螢幕上的圖形和文字，白光LED是可攜式消費電子產品目前最常採用的照明裝置。這篇文章將針對如何選擇正確的白光LED驅動器，概要介紹適當的驅動器、它們的限制以及優缺點之間的取捨；文中將討論選擇白光LED驅動器時，所需評估的元件特性、提供元件的選擇標準以及實際的設計範例和佈局考量。
首先對基本原理做簡單的回顧。電流通過白光LED會使它發出可見光，由於發出的光線涵蓋整個可見光譜，所以看起來是白色，其強度正比於通過白光LED的順向電流，也就是從陽極到陰極的電流總值。工程師必須找出推動這個LED電流的最佳方法，並在各種系統層級考量間取得完美平衡，例如效率、成本和穩流誤差的容忍範圍。
恆壓與恆流的比較
驅動白光LED的主要目標是產生順向電流通過元件，這可藉由恆電壓源或恆電流源來達成。圖1是成本最低的解決方案，它將白光LED串聯一顆限流電阻，再於電路的兩端加上恆壓源。然而這種方法有其缺點，限流電阻會限制通過的電流，白光LED的非線性V-I曲線也讓這種方法的穩流能力非常差；除此之外，只要外加電壓或白光LED的順向電壓有任何變動，白光LED的電流都會改變。當額定順向電壓為3.6 V時，會有20 mA電流通過圖1的白光LED，若溫度或製程改變讓此電壓變為4.0 V (仍在正常的3 V至4 V容忍範圍內)，順向電流就會下降至14 mA；換言之，順向電壓只要改變11%，順向電流就會出現30%的大幅度變動。這種白光LED電流的極端改變會影響顯示器亮度，其程度是許多應用所無法接受的。
圖1：採用限流電阻和恆壓源
比較理想的白光LED驅動方式是採用恆電流源，它能避免白光LED順向電壓改變而造成的電流變動 使用可控制的固定順向電流，就能提供可控制的固定顯示亮度。恆流源的產生非常簡單，控制器不需將電源供應輸出穩壓，而是如圖2所示，直接針對電流感測電阻的兩端電壓進行穩壓，此時通過白光LED的電流是由電源供應的參考電壓值和電流感測電阻值來決定。絕大多數顯示器都需要多顆白光LED，若設計人員可以很有彈性的驅動多顆白光LED，他們應將所有白光LED串聯，確保每顆白光LED的電流都相同。若要以並聯方式推動白光LED，每顆白光LED都必須串聯一顆限流電阻，避免通過它們的電流出現差異，但是這些電阻也會浪費電力，降低電路效率。
圖2：電感式恆流源
電感式驅動器和電荷泵浦驅動器的比較
所有專為驅動白光LED而設計的元件都提供固定電流，其中絕大多數是以電感或電荷泵浦為基礎的解決方案，這兩種解決方案各有其優缺點。電荷泵浦解決方案或稱為交換式電容解決方案，它會利用離散電容將電源從輸入端傳送至輸出端，整個過程不需使用任何電感，所以是相當受歡迎的解決方案。電荷泵浦電源供應的體積很小，設計也很簡單，選擇零件時通常只需根據元件規格表從中挑選正確的電容。電荷泵浦解決方案的主要缺點是它只能提供有限的輸出電壓範圍，絕大多數電荷泵浦元件的轉換比最多只能達到輸入電壓的兩倍，這表示輸出電壓不可能高於輸入電壓的兩倍，因此若想利用電荷泵浦驅動一顆以上的白光LED，就必須採用並聯驅動的方式。利用只能對輸出電壓進行穩壓的電荷泵浦驅動多顆白光LED時，必須使用限流電阻來防止電流分配不平均，這個電阻會減少電池的使用時間。
但是專為驅動白光LED而設計的新型電荷泵浦元件已開始將電流共享電路直接加入元件中，例如TPS60230電荷泵浦解決方案就能產生電壓提供給多個並聯的LED陽極，每顆白光LED的陰極則會直接連線到元件的不同接腳，元件內部電路會提供穩流功能，使得每顆白光LED的通過電流相差不到0.3%，而且不需要外接電阻。絕大多數以電荷泵浦為基礎的解決方案都能讓轉換效率達到60%至85%的可接受水準，更先進的電荷泵浦元件還提供分數轉換模式 (fractional conversion mode)，它能在輸入電壓改變時自動切換到最有效率的轉換模式。
電感式解決方案的體積很小，效率很高，適合為絕大多數消費性產品提供更長的電池使用時間。本文將會證明，設計人員可以調整電感式轉換器的效率，以便在體積和效率之間取得最佳平衡。由於大多數電感式解決方案都是採用升壓轉換器 (圖2)，它們最多能驅動六顆或七顆串聯的白光LED，這種做法有其優點，因為許多顯示器內建的白光LED都採用串聯模式；就算並未將白光LED內建至顯示器螢幕，大多數工程師還是會將它們串聯在一起。背光驅動器和白光LED通常會在不同的電路板上，因此必須將電源從一張電路板連接至另一張電路板；驅動五顆並聯的白光LED共需使用連接器的六隻接腳，驅動串聯在一起的五顆白光LED只需要兩隻接腳。
白光LED驅動器的特性
許多應用的螢幕需要背光調整功能，例如PDA等產品的使用者就能調整螢幕亮度，以配合周圍環境的照明情形，還有許多產品的處理器會在系統閒置一段時間後，自動降低或切斷背光電源，例如行動電話就是如此。調光功能的實作方法可分為兩種：類比和脈衝寬度調變 (PWM)。採用類比調光技術時，只需將白光LED的電流降至最大值的一半，就能讓螢幕亮度減少50%。這種方法的缺點包括LED光色會移動，而且需要類比控制訊號，但應用產品通常並未提供這類訊號。PWM調光技術會提供完整電流給白光LED，但會減少電流負載週期 (duty cycle)，進而達成調光的要求，例如要將亮度減半，只需50%的負載週期提供完整電流。PWM訊號頻率通常會超過100 Hz，確保這個脈衝電流不會被眼睛察覺，PWM頻率的最大值需視電源供應的啟動和反應時間而定；為了得到最大彈性，同時讓整合更簡單，白光LED驅動器最高應能接受50 kHz的PWM頻率。調光訊號通常來自於系統處理器的GPIO接腳。
為了因應可能出現的開路故障，固定電流的白光LED驅動器需要過電壓保護功能。如同前面所述，白光LED和驅動器通常在不同的電路板，因此連接器的接腳脫落就會造成開路故障，另一個可能性則是白光LED故障成為開路；無論是那一種情形，驅動器為了提供固定電流，都會增加它的輸出電壓，此時若無保護電路，輸出電壓很快就會升高，對元件或輸出電容造成損害。保護驅動器的最簡單方法是選擇內建過電壓比較器的元件，並利用此功能來限制最大輸出電壓，例如TPS61043就具備這項功能。齊納二極體也可用來限制最大輸出電壓，然而這種做法的效率極差，因為在故障期間，會有預先設定的最大電流通過齊納二極體。
負載切斷功能是白光LED驅動器電源供應常被忽略的特色之一，電子式負載切斷功能可於電源供應關掉後，將白光LED與輸入電源之間的連線切斷，這項功能在下面兩種情形非常重要：關機和PWM調光。如同圖2所示，就算升壓轉換器的電源被切斷，負載仍會經由電感和逆向電壓保護二極體 (catch diode) 連接到輸入端。由於輸入電源仍連接至白光二極體，就算電源供應停止工作，依然會有很小的電流繼續通過。可攜式產品可能有高達95%的時間處於待命狀態，就算洩漏電流非常小，電池壽命也會大幅減少。負載切斷功能對於PWM調光也很重要，因為在PWM截止導通期間，電源供應雖然不供應電流，但輸出電容卻仍連接至LED，若沒有負載切斷功能的協助，輸出電容就會透過LED繼續放電，直到調光脈衝讓電源供應進入導通狀態。由於輸出電容在每個調光週期剛開始時都處於部份放電狀態，電源供應也必須在週期開始時對這些輸出電容進行充電，使得每個週期都會出現湧入電流尖波，這個湧入電流不但降低系統效率，還會在輸入電源線路上造成電壓暫態變動。有了負載切斷功能，LED與電路的連線就會切斷，當電源供應停止導通時就不會有洩漏電流，輸出電容也能在PWM調光週期之間保持滿電位狀態。負載切斷電路的最佳實作方式是在LED和電流感測電阻之間加入MOSFET電晶體，因為將MOSFET電晶體加在電流感測電阻和地線之間會造成額外的電壓降，此電壓還會成為輸出電流設定點的誤差電壓。
設計範例概述
瞭解各種白光LED驅動法的優缺點後，現在就能開始應用這項知識。在此範例中，我們將會設計手機螢幕的白光LED驅動器，由於它是一部多功能手機，因此電源是由輸入電壓在2.7 V至4.2 V之間的鋰離子電池供應。手機螢幕內建四顆串聯的白光LED，每顆的最大順向電流為20 mA，這種設計需要20 mA最大輸出電流和4 × 4 V = 16 V電壓。該手機規格要求螢幕亮度調整功能，讓手機閒置一段時間後，能夠逐漸降低螢幕亮度。系統處理器通常是由OMAP元件擔任，負責提供PWM調光功能所需的數位訊號。電池壽命是主要考量，因此效率應儘量提高。行動電話螢幕大約有98%的時間處於待命模式，因此需要真正的負載切斷功能，以便延長電池的使用時間。行動電話受到體積限制，需要小型的整合式解決方案，TPS61043則是滿足這些要求的最佳選擇，它是功能完全整合的電感式升壓轉換器，內建功率FET電晶體，也是專為白光LED而設計的驅動元件。TPS61043採用3 × 3釐米QFN封裝，還提供負載切斷、過電壓保護和PWM調光功能，1 MHz開關頻率讓此元件能夠使用體積最小的外部零件。
元件資料表提供數種典型的應用電路，我們將它做為這項設計的起始點，圖4就是這些線路圖之一，它似乎能提供本設計所需的功能。工程挑戰在於選擇正確的外部零件，同時完成適當的電路圖佈局。電流感測電阻是最容易挑選的零件，正確的電阻值是由元件參考電壓0.252 V除以所要求的白光LED最大電流0.02 A所決定，此處相當於12.6 Ω，接著只需選擇最接近這個值的標準電阻即可。注意電阻上的功耗只有0.02A2 × 12.6 Ω，也就是5 mW，因此選擇0402外型的電阻器以節省電路板面積。
選擇電感
選擇適當的電感不僅對確保設計符合效率要求很重要，也能配合有限的電路板面積。電感的選擇必需考慮三項參數：電感值、飽和電流和線圈阻抗 (DCR)。如同所有的交換式轉換器，選擇電感就是在效率和電路板面積間做出取捨，較大的電感值提供更小的阻抗、更高的效率和更大的飽和電流額定值。較小的電感則使用較少的電路板面積，飽和電流額定值也較小，但線圈阻抗卻比較大，因此整體效率較低。最後選擇的電阻值必然是電路板面積和效率之間取捨。
在傳統的升壓轉換器中，輸出電感和電容會決定轉換器的回授迴路是否穩定，因此被選中的電感、電容和補償網路零件都必須經過測試，確保電路能夠穩定工作。TPS61043包含先進的控制電路，無論使用多大的電感值，它都能確保電源供應穩定，因此不必考慮回授補償的問題。在這個控制拓樸中，開關頻率是由電感值、輸入電壓、輸出電壓和負載電流所決定，其計算公式如下：
公式1：TPS61043的開關頻率
其中： Io是白光LED的電流 (最大值0.02 A) Vo是輸出電壓 (最大值16 V) Vin是輸入電壓 (最小值2.7 V) Vf逆向電壓保護二極體 (catch diode) 的順向電壓降，此處假設為0.4 V Ilim是峰值開關電流 (總是0.4 A，由控制拓樸決定) Lout是電感值
既然體積是重要的設計參數，電源供應當然應使用很高的開關頻率，但由於電感式轉換器的開關損耗會受到開關頻率影響，因此頻率越高通常就代表效率越低。同樣的，較低的開關頻率可以提供較高效率；不幸的是，要如何選擇最適當的開關頻率，才能將轉換器開關損耗減至最少，這個問題目前仍沒有任何封閉型式 (closed form) 方程式可供求解。典型的設計程序是選擇一個接近最大可能頻率的頻率，設計轉換器，然後重新調整開關頻率和測量工作效率，接著不斷重複整個過程，直到他們發現效率令人滿意的設計為止。將開關頻率任意設為700 kHz，利用公式1可計算出電感值為4.8 μH，由於4.7 μH是業界標準的電感值，我們將電感的第一項參數，它的電感值，設為4.7 μH。
無論電源或負載的狀況如何，TPS61043控制拓樸都會將電感的峰值電流設為400 mA，因此我們將第二項電感參數，也就是飽和電流，設為400 mA。第三項參數是線圈阻抗，它會決定電感的體積，並且對設計的整體效率造成重大影響。muRata LQH32CN4R7是飽和電流為650 mA的4.7 μH電感，故能符合我們的第一項電感參數要求，也超出我們的第二項參數要求。這顆電感的線圈阻抗為150 mΩ，體積則只有3.2 × 2.5 × 1.55釐米。表1是這兩種電感的比較。
表1：電感的比較
| Isat (mA) | 電阻 () | L (mm) | W (mm) | H (mm) | |
| Murata LQH32CN4R7 | 650 | 150 | 3.2 | 2.5 | 1.55 |
| Coilcraft LPO1704-472 | 1.1 | 200 | 6.6 | 5.5 | 1.0 |
白光LED驅動器的效率測量和比較必須很小心。典型的電源供應效率量測值是由輸出功率除以輸入功率計算而得，但使用白光LED驅動器時，重要的輸出參數是白光LED的光輸出，但這個值的量測並不容易。白光LED提供的功率和電源供應的總輸出功率並不相同，用於效率計算的電壓應該是白光LED兩端的電壓，而不是電源供應的輸出電壓；計算工作效率時，電流感測電阻兩端的電壓不應包含在輸出功率內，這個電阻的功耗是由白光LED驅動器的參考電壓所決定，在其它因素都相同的情形下，白光LED驅動器的參考電壓越低，它的效率就越高。比較兩家製造商的產品效率時，先確認他們對於效率有著相同定義。
選擇輸入電容
輸入電容幫助穩定電源供應器的輸入電源阻抗，這在電池供電型系統中極為重要，因為在電源供應的開關頻率下，所有電池都會有很高的阻抗。若沒有輸入電容，交換式電源供應器以脈衝形式自輸入端汲取電流時，就會在輸入電源線路上產生很大的電壓漣波，進而衝擊到系統的其餘部份。這顆元件建議使用4.7 μF的陶瓷輸入電容，但設計人員可以使用更大的電容值，沒有任何限制。較小的電容值可以節省電路板面積和成本，但會增加輸入的漣波電壓，在不增加輸入電容之前題下，減少輸入漣波電壓的方法之一是提高驅動器的開關頻率，這可藉由減少電感值來達成；在較高的開關頻率下，電容阻抗變得較小，這能降低漣波電壓。
選擇輸出電容
交換式升壓轉換器的輸出電容會直接影響輸出漣波電壓，但輸出電壓對於白光LED驅動電路並不重要，因此這個設計可以使用低至0.1 μF的輸出電容。這麼小的輸出電容確實會造成很大的漣波電壓，它會讓白光LED出現很大的漣波電流，幸好漣波電流並不會對白光LED造成困擾，顯示器亮度是由白光LED平均電流決定，任何頻率在100 Hz以上的漣波電流都不會被眼睛察覺。假設白光LED電流波形的波峰為30 mA，波谷為10 mA (平均20 mA)，那麼它所產生的顯示器亮度會和20 mA直流電流完全相同。輸出電容最好是使用陶瓷電容，而且它的電壓額定值應該高於電源供應器的工作電壓，我們的輸出電壓大約是16 V，因此可以使用16 V的電容，這是因為就算在故障情形下，輸出電壓也只會上升至19 V，而陶瓷電容都是在兩倍的額定電壓下完成預燒 (burned in)，所以16 V的輸出電容仍在可接受範圍內。對於壽命極長或可靠性很高的產品，最好使用電壓額定值較高的輸出電容。
選擇逆向電壓保護二極體 (Catch Diode)
電源供應的逆向電壓保護二極體 (圖2中的D1) 很容易選擇，它需要和電感相同的峰值電流額定值，逆向電壓額定值必須大於LED兩端的電壓。順向電壓很小的蕭特基二極體可以提供最大效率。
佈局
選擇正確的元件，並為它挑選支援零件，這些都只是設計程序的一部份。電路必須正確佈局，讓它能正常工作，而且不會產生過多的系統雜訊。圖6是最後得到的白光LED驅動器線路圖以及重要的電壓和電流波形，圖7則是典型的電路板佈局。在電源供應器中，最重要的佈局約束條件就是從D1經過輸出電容到地線，再進入元件的地線接腳，然後從元件的SW接腳離開，最後再回到D1，這整個路徑所圍出來的迴路區域，這個迴路應該越短越好。C1的位置必須靠近L1，以提供波形A所示的脈衝電流，此電流從C1出發，經過L1到地線，然後再回到C1，這個實體迴路應儘量縮小。波形B是切換點 (switch node) 的電壓，它會以每秒60萬次的速度在地電位和輸出電壓之間切換，因此這個電路節點應該越短越好，減少任何可能的電磁幅射。注意波形B的電流會被分成波形C和D，這兩個路徑上的電流都非常不連續，因此路徑長度必須儘量縮短，減少電磁幅射和電路板的電壓擺動。注意輸出電容的位置很靠近電源供應，而不是靠近負載，讓輸出電容靠近電源供應後，所有開關電流將侷限在電源供應端。由於電流是從電源供應流向白光LED，波形E幾乎就是直流，負載端也不需要電容或是濾波。如果輸出電容的位置靠近白光LED，而不是電源供應電路，波形B的電流就會在兩張電路板之間流動，使得系統雜訊增加。
結論
這篇文章說明只要完成系統需求定義，正確的白光LED驅動器就更容易選擇。若想採用電感式解決方案，零件的選擇將由電源供應需求和系統需求來決定。設計人員只要瞭解每顆零件如何對系統產生影響，就能完成體積或效率最佳化的設計。如果無法在系統電路板上完成正確的電路佈局，就算是最好的系統也無法順利工作；另外，瞭解電源供應的波形對於產生可以工作的電路佈局是非常重要的。