1、白光LED驅(qū)動(dòng)器1、 白光LED驅(qū)動(dòng)器的要求驅(qū)動(dòng)器可以看作是向白光led供電的特殊電源,可以驅(qū)動(dòng)正向壓降為3.04.3V的白光LED,并根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的多個(gè)白光LED,滿足驅(qū)動(dòng)電流的要求.對驅(qū)動(dòng)器的主要要求如下：1 .為滿足便攜式產(chǎn)品的低電壓供電,驅(qū)動(dòng)器應(yīng)有升降壓功能,以滿足13節(jié)充電電池或1節(jié)鋰離子電池供電的要求,并要求工作到電池終止放電電壓為止.2 .驅(qū)動(dòng)器應(yīng)有高的功率轉(zhuǎn)換效率,以提升電池的壽命或兩次充電之間的時(shí)間間隔.目前高的可達(dá)80%90%,一般可到達(dá)60%80%o3 .在多個(gè)白光LED并聯(lián)使用時(shí),要求各白光LED的電流相匹配,使亮度均勻.4 .功耗低,靜態(tài)電流小,并且

2、有關(guān)閉限制功能,在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)一般靜態(tài)電流應(yīng)小于1心.5 .白光LED的最大電流Iled可設(shè)定,使用過程中可調(diào)節(jié)白光LED的亮度亮度調(diào)節(jié).6 .有完善的保護(hù)電路,如低壓鎖存、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、輸出開路或短路保護(hù).7 .小尺寸封裝,并要求外圍組件少而小,使所占印制板面積小.8 .對其他電路的干擾影響小.9 .使用方便,價(jià)位低.2、 驅(qū)動(dòng)器的分類從供電電壓的上下可以將驅(qū)動(dòng)器分成三類：1 .由電池供電,電壓一般低于5V,主要用于便攜式電子產(chǎn)品,驅(qū)動(dòng)小功率及中功率白光LED,它主要采用升壓式DC/DC變換器或升壓式或升降壓式電荷泵變換器,少數(shù)采用LDO電路的驅(qū)動(dòng)器；2 .大于5V供電,如6V、9V、1

3、2V、24V或更高,由穩(wěn)壓電源或蓄電池供電,它主要用降壓式可升降壓式DC/DC變換器；3 .直接由市電110V或220V或相應(yīng)的高壓直流電如40400V供電,主要用于驅(qū)動(dòng)大功率白光LED,采用降壓式DC/DC變換器驅(qū)動(dòng)電路.過去認(rèn)為有電感的升壓式DC/DC變換器可輸出較大的電流.近年來,電荷泵式驅(qū)動(dòng)器可輸出的電流已從幾百毫安上升到1.2A,并且兩者在轉(zhuǎn)換效率上也不相上下.對于采用LDO電路的驅(qū)動(dòng)器,無需外圍組件及價(jià)位低是它的優(yōu)點(diǎn),其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率略低,并且電池往往不能用到終止放電電壓就要充電.這種驅(qū)動(dòng)器主要用于1節(jié)鋰離子電池的場合,并需用正向電壓低的白光LED.可以用作白光LED驅(qū)動(dòng)電源的集成

4、器件品種較多,大致分為恒流源、電荷泵和開關(guān)電源三種類型.1恒流源絕大多數(shù)LCD背景照明裝置都配有亮度限制器以便使用中根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié).由于LED的光子發(fā)射源于電子、空穴對的復(fù)合,故其發(fā)射速率以及發(fā)光強(qiáng)度均與LED的正向電流成比例.為此,可控恒流源應(yīng)是實(shí)現(xiàn)亮度限制最簡單的方案.但因白光LED的色溫也與工作電流直接有關(guān),這類限制方案會(huì)使光源在整個(gè)亮度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的顏色一致性變得很差,故而僅能用于按鈕照明之類對于顏色保真度要求很低的場合.LCD背光裝置那么大多采用PWM電源為LED供電,以防止這一色偏問題.從實(shí)用的角度來看,對于電源電壓較高的車載設(shè)備,由于多個(gè)白光LED可以串聯(lián)使用,所以

5、采用配有脈寬調(diào)制器的集電極開路OC或電流鏡輸出級即可構(gòu)成簡單的LED驅(qū)動(dòng)器.在電源電壓較為有限的應(yīng)用場合,多個(gè)白光LED只能以并聯(lián)方式工作.此時(shí),根據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,通常需為每只白光LED配備獨(dú)立的限流電阻,借以克服白光LED正向壓降一致性差以及不可直接并聯(lián)工作的弊端.不過目前多已改用集成恒流源為白光LED供電,可以消除電源電壓變動(dòng)所造成的不利影響.MAX1916和LX1190是兩種較為常見的恒流源集成電路.(2)電荷泵白光LED的正向壓降可以高達(dá)4V,但是目前的大量手持電子設(shè)備多以單一鋰電池供電,此時(shí)已經(jīng)無法再由設(shè)備電源直接驅(qū)動(dòng)白光LED而必須借助于各類電源變換器件.可以用作白光LED驅(qū)動(dòng)器

6、的電源變換器件包括不少種類,其中應(yīng)以電壓輸出型電荷泵電路最為簡單.此類典型的器件有LM3354型開關(guān)電容變換器,其電源電壓范圍為2.55.5V,輸出電壓有一系列標(biāo)稱值可供選擇,用作白光LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)應(yīng)選擇4.1V標(biāo)稱輸出電壓.LM3354的開關(guān)工作頻率為1MHz,故而可以采用較小的開關(guān)電容器.LM3354的最大輸出電流為90mA,帶有片內(nèi)過熱保護(hù)電路,靜態(tài)電流與關(guān)斷狀態(tài)電流分別為475MA和5心.限制白光LED亮度的脈寬調(diào)制信號(hào)可由器件的判斷限制(SD)端送入,其重復(fù)頻率應(yīng)在60Hz以上,以免LED產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象；但也不宜超過200Hz,以保證開關(guān)電容器具有足夠的放電時(shí)間.白光LED以恒流源供電

7、有利于抑制電源電壓變動(dòng)所造成的不利影響,目前也確有不少電流輸出型電荷泵電路可供選用.LTC3200的反應(yīng)閾值電壓那么可由引腳編程方式設(shè)定為200mV、400mV或600mV(第四種編程組態(tài)為關(guān)斷"),假設(shè)以PWM信號(hào)令其間歇進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài),便可平滑調(diào)節(jié)白光LED的亮度而不致產(chǎn)生明顯的色偏.LTC3200的工作頻率為1.5MHz,電源電壓為2.74.5V時(shí),最大輸出電流為125mA,可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)八只白光LED.LTC3200-5電壓輸出型電荷泵集成器件與LM3354的結(jié)構(gòu)相似,但體積較為小巧,而且僅需一個(gè)開關(guān)電容；工作電壓為34.4V,工作頻率為2MHz,輸出電流可達(dá)100mA;唯其5V

8、額定輸出電壓偏高,因而限流電阻的壓降亦偏大,對整體電源變換頻率有一定的影響.SC600電壓輸出型電荷泵集成器件包括44.5V/120mA與4.55V/60mA多種輸出規(guī)格,電源電壓范圍為2.76.5V,利用引腳編程方式切換工作頻率,在8650kHz范圍內(nèi)共分四擋,由此可以調(diào)整輸出電流.其最大的特色在于電源電壓超過某個(gè)閾值時(shí)會(huì)自動(dòng)切換內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)以取得更高的電源變換頻率.該閾值具有80mV的回差,以防切換過于頻繁而造成較大的輸出紋波.電流輸出型電荷泵LM2794以電流鏡作為輸出級,因而可以省去限流電阻,但會(huì)增加器件的功耗.LM2794具有四路電流輸出,每路為20mA.假設(shè)欲調(diào)整白光LED的亮度,

9、仍可在其關(guān)斷限制端參加脈寬調(diào)制信號(hào),也可采用引入外部電流的方式改變其反應(yīng)閾值.該器件的電源電壓范圍為2.75.5V,電壓超過4.7V時(shí)會(huì)自動(dòng)切換內(nèi)部電路,改以直通方式工作.該切換閾值也有250mV左右的回差以防輸出紋波惡化.值得一提的是,該器件的外形尺寸僅為2mm>2.4mm>0.84mm,是同類器件中體積最小的.S8813與LM2794的結(jié)構(gòu)相近,但恒流原理屬脈沖頻率調(diào)制型.這種恒流方式對于變換效率的提升有些好處,但有一定的開關(guān)噪聲.該器件的典型工作頻率約為600kHz,具有三路電流輸出,每路為518mA.(3)開關(guān)電源電荷泵是以電容器作為儲(chǔ)能元件,但以升壓式開關(guān)電源作為白光LE

10、D驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用也較為廣泛.事實(shí)上,以電感器作為儲(chǔ)能元件的電感升壓式開關(guān)換器,在電壓提升的效能方面優(yōu)于電荷泵式變換器.用作白光LED驅(qū)動(dòng)器的電感升壓式開關(guān)變換器多為電流輸出型.目前,小功率集成電感升壓式開關(guān)變換器多帶有作為功率開關(guān)的片內(nèi)N溝道MOSFET管,但是儲(chǔ)能電感通常仍需外接.MAX1848的開關(guān)頻率為1.2MHz,以2.65.5V電源電壓工作時(shí),最高輸出電壓可達(dá)13V,足以驅(qū)動(dòng)23只串聯(lián)的白光LED.MAX1848還可同時(shí)驅(qū)動(dòng)三路并聯(lián)負(fù)載,每路負(fù)載包括兩個(gè)串聯(lián)的白光LED.此應(yīng)用需要配用三個(gè)采樣電阻,各路負(fù)載的電流匹配情況不令人滿意.LT1937電感升壓式開關(guān)變換器片內(nèi)功率開關(guān)的耐壓值高

11、達(dá)36V,可以驅(qū)動(dòng)六只白光LED串聯(lián)組成的單路負(fù)載.采樣電阻壓降約為100mV,通過調(diào)整采樣電阻的阻值可將輸出電流設(shè)定為520mA.白光LED的亮度調(diào)整仍可采用在反應(yīng)節(jié)點(diǎn)引入外加限制電流可將脈寬調(diào)制信號(hào)送入關(guān)斷限制端這兩種方法.屬于電感升壓式開關(guān)變換器的器件還有LM2704和LX1993,LM2704可以在2.27V電壓范圍內(nèi)工作,最高輸出電壓為20V,輸出電流為20mA,可驅(qū)動(dòng)兩路共計(jì)八只白光LED.LM2704的特點(diǎn)在于片內(nèi)功率開關(guān)峰值電流可達(dá)0.5A,導(dǎo)通電阻僅為0.7Q,故而電源變換效率較高,同時(shí)易于解決小型封裝器件的散熱問題.LX1993能以20mA的輸出電流驅(qū)動(dòng)單路四只白光LED,

12、其優(yōu)點(diǎn)在于電源電壓可以低至1.6V.無論是車載、便攜還是手持電子設(shè)備的設(shè)計(jì),電源效率都是一個(gè)不可無視的重要問題.然而,對于白光LED驅(qū)動(dòng)電路來說,各類集成器件變效率的比擬看來并不是那么簡單.根據(jù)常規(guī),器件生產(chǎn)廠商提供的電源變換效率指標(biāo)均定義為輸出電功率與輸入電功率之比,但是白光LED的正向壓降往往相差數(shù)百毫伏之多,足以影響其實(shí)際消耗功率在驅(qū)動(dòng)器件輸出總功率中所占的比例,即白光LED驅(qū)動(dòng)電路中消耗于限流電阻或電流鏡輸出管壓降之類的無用功率對于實(shí)際的電源變換效率往往具有很大影響,采用不同電路結(jié)構(gòu)形式的驅(qū)動(dòng)器件尤為顯著.而測定白光LED工作于特定正向電流時(shí)的電源輸入功率,才是比擬驅(qū)動(dòng)電路變換效率的可

13、靠方法.采用多只白光LED串聯(lián)使用的方案有利于提升驅(qū)動(dòng)電路的整體效率,但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)這一方法將會(huì)受到以下兩方面的限制： 驅(qū)動(dòng)電路的最高輸出電壓通常較為有限值,所以同一支路中白光LED的串聯(lián)個(gè)數(shù)不可能太多. 目前白光LED產(chǎn)品的一致性并不令人滿意,同一支路中通常須用同一廠商同一生產(chǎn)批次的白光LED,才能根本保證整個(gè)照明面積具有足夠均勻的照度.目前提升驅(qū)動(dòng)電路變換效率的余地可以說已經(jīng)相當(dāng)有限,然而從白光LED本身的發(fā)光效率看來卻還大有潛力.所謂的白光LED,其實(shí)是利用一種紫藍(lán)光LED所發(fā)出的短波長紫藍(lán)光激發(fā)涂布于輸出光學(xué)透鏡內(nèi)壁的熒光材料,進(jìn)而產(chǎn)生波譜較寬的白色復(fù)合光.由此可見,白光LED的紫藍(lán)光

14、管芯、熒光材料乃至光學(xué)透鏡均可影響其發(fā)光效率.近年白光LED生產(chǎn)廠商研發(fā)的新一代NSCW215系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)光效率較上一代整整提升了50%o另外,在大功率白光LED的開發(fā)方面亦有所進(jìn)展,目前已經(jīng)研制成功正向電流到達(dá)數(shù)百毫安的LED,在作為交通信號(hào)等適應(yīng)白晝使用的照明指示光源方面頗有競爭力.鑒于白光LED在LCD背景照明領(lǐng)域的應(yīng)用前景,已有相關(guān)的組件產(chǎn)品投入市場.如MTG-F2406FMNHSGW液晶顯示器組件WTS、采用240>64像素的液晶顯示屏和T6963c型顯示限制器東芝均以白光LED作為背景光源.假設(shè)再配上電源變換器可選件,整個(gè)組件便可以5V單電源供電.液晶屏有效顯示面積為132X

15、39mm2,點(diǎn)距為0.51mm.最近幾年便攜式電子產(chǎn)品大多改用正向電壓為3.6V20mA的白光LED作為背光照明單元.以移動(dòng)為例,它使用了34只白光LED,然而一般鋰離子電池放電時(shí)的電壓經(jīng)常低于3.6V,為了符合白光LED3.6V正向電壓的需求,必須借助于升壓電路才能獲得預(yù)期的效果.也就是說,白光LED驅(qū)動(dòng)器必須具備以下功能：即使電池的輸出電壓下降,驅(qū)動(dòng)器也能夠?yàn)榘坠釲ED提供充足的正向電壓Vf.第一代白光LED驅(qū)動(dòng)器采用限流電阻進(jìn)行電流匹配,以補(bǔ)償正向電壓的差異,從而保證白光LED亮度的一致性.然而,最新研制的白光LED驅(qū)動(dòng)器不會(huì)受供電電壓的影響而保證恒定的亮度.提升并調(diào)節(jié)電池電壓的驅(qū)動(dòng)器可

16、以是開環(huán)或閉環(huán)限制器、電荷泵,或帶有電壓或電流輸出功能的電感變換器.在大多數(shù)應(yīng)用中,白光LED通過并聯(lián)或串聯(lián)方式連接在一起,但在個(gè)別情況下也可采用混合的串、并聯(lián)配置方式.對LED進(jìn)行連接時(shí)采用串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)的方式聯(lián)決于應(yīng)用的需要,每種配置方案都有本身的優(yōu)點(diǎn)和缺乏之處. 串聯(lián).白光LED具有類似普通二極管的正向電壓和電流特性.由于白光LED的亮度幾乎完全由電流限制,因此,只要使用相同或匹配的電流,兩只白光LED即可獲得相同的亮度,而無需考慮其正向電壓的差異.采用串聯(lián)方式連接可保證其電流相同,因此所有白光LED的亮度都是一致的. 并聯(lián).大多數(shù)并聯(lián)白光LED都采用恒壓或恒流白光LED驅(qū)動(dòng)器,而驅(qū)動(dòng)

17、器的采用取決于具體的應(yīng)用要求.在恒壓拓?fù)渲序?qū)動(dòng)并聯(lián)白光LED非常簡單,驅(qū)動(dòng)器可以是開環(huán)電壓輸出的開關(guān)式DC/DC穩(wěn)壓變換器.每只白光LED都有一個(gè)串行連接的限流電阻,用來設(shè)置電流值并匹配各只白光LED之間的電流.采用具有高限流電阻值的恒壓驅(qū)動(dòng)器,可以獲得良好的電流匹配,但其負(fù)面作用是影響效率.相反,較低的限流電阻值將提供較高的效率,但白光LED的電流亮度匹配效果較差.第一代恒流驅(qū)動(dòng)器是帶有整流功能的電荷泵,這些器件使用限流電阻來檢測白光LED電流.利用檢測到的電流來調(diào)節(jié)第一只白光LED的正向工作電流,余下白光LED的限流電阻的電流會(huì)與第一只白光LED的電流進(jìn)行匹配.由于白光LED之間的正向電壓

18、各不相同,因此電流匹配的精度非常有限.需要精確電流匹配的應(yīng)用如彩色LCD顯示等,可以使用內(nèi)部匹配恒流LED驅(qū)動(dòng)器.這些驅(qū)動(dòng)器可在白光LED之間提供精確的電流匹配,而無需考慮其正向電壓.LED的正向電壓降低至3V以下.因單白光LED需要的正向電壓相對較高.最新的技術(shù)趨勢是將白光個(gè)鋰離子電池的電壓范圍為2.74.2V,其標(biāo)稱電壓值為3.6V,如果白光LED的正向電壓低于3V,電池即可直接驅(qū)動(dòng)白光LED電路無需升壓,從而減少部件數(shù)量和降低本錢.與傳統(tǒng)白光LED驅(qū)動(dòng)器不同,如今的白光LED驅(qū)動(dòng)器采用了主動(dòng)匹配技術(shù),為實(shí)現(xiàn)白光LED亮度恒定,由內(nèi)置的數(shù)字、模擬和PWM限制單元對白光LED的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié).

19、飛兆半導(dǎo)體最新的FAN5608系列LED驅(qū)動(dòng)器整合了所有的亮度限制方式數(shù)字、模擬、驅(qū)動(dòng)多個(gè)白光LED串,每串LED都具有獨(dú)立的亮度限制,從而滿足驅(qū)動(dòng)8只白光LED的要求.3、白光LED的驅(qū)動(dòng)特性圖1給出了一般穿透式彩色液晶顯示器的結(jié)構(gòu).如圖白光LED產(chǎn)生的光線經(jīng)由導(dǎo)光板的反射后均勻擴(kuò)散并射入PWM,并支持特殊配置方案,容許兩個(gè)恒流源可以在兩個(gè)白光LED串上連接4只串聯(lián)白光LED,1可知,LCD面板下方設(shè)有白光LED照明單元,LCD面板內(nèi).LCD面板背光照明單元誠綠白光LED白ftLED%三導(dǎo)光板圖1穿透式彩色液晶顯示弗的結(jié)構(gòu)如圖2所示,傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED是并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的,白光LED的亮度

20、取決于電阻的阻抗值.然而白光LED的電壓VF本身具有不同的波動(dòng)范圍,因此相同的電阻會(huì)使白光LED的亮度產(chǎn)生分布不均現(xiàn)象.因電壓波動(dòng)引起白光LED的亮度不相同時(shí),背光照明單元的光線就會(huì)有照明不均問題.雖然使用電氣特性相同的白光LED可以改善亮度不均問題,但實(shí)際上無法獲得電氣性能完全相同的白光LED.應(yīng)根據(jù)各白光LED的電氣特性,逐一調(diào)整負(fù)載電阻的阻抗值,但事實(shí)上這種方式并非解決問題的對策.為了使流入白光LED的電流完全相同,將并聯(lián)方式改成圖3所示的串聯(lián)方式,即使白光LED的電壓具有不同的波動(dòng)值,由于流入各白光LED的電流Iled相同,因此各白光LED產(chǎn)生的亮度幾乎一致.圖2傳境背光照明單元的日光

21、LED的刪動(dòng)方式用3LE口的串聯(lián)熟動(dòng)方式每只白光LED最少需施加3.6V以上的驅(qū)動(dòng)電壓才能獲得預(yù)期的亮度.如圖3可知,當(dāng)多只白光LED串聯(lián)連接時(shí),必須等比例提升驅(qū)動(dòng)電壓.圖4所示是利用開關(guān)變換器NJM2360構(gòu)成的白光LED驅(qū)動(dòng)電路,該電路的基準(zhǔn)電壓VREF為1.25V,施加于VIN端子.此方式中電阻Q的阻抗值決定了影響白光LED亮度的各LED的電流Iled,Iled可由下式求得:(1)180pHEK14日05V-M-T-I80QsssJA47mv+GNDVwCT1.25V圖4驕動(dòng)白光LED的電路假設(shè)各LED的電流Iled為15mA,Rl約為830Q,三只3.6V的白光LED串聯(lián)連接時(shí),LED

22、的整體的驅(qū)動(dòng)電壓VLED為Vled=Vref+NVf=1.25+3M.6=12.05(V)式中：N為并聯(lián)連接的白光LED的數(shù)量白光LED點(diǎn)亮?xí)r需要15mA的電流If,不過周圍環(huán)境很暗時(shí),往往不需作全開驅(qū)動(dòng),此時(shí)可限制驅(qū)動(dòng)電流而改變白光LED的亮度,進(jìn)而降低白光LED的耗電量.這對使用電池的便攜電子產(chǎn)品而,是非常重要的節(jié)能技術(shù).有關(guān)驅(qū)動(dòng)電流限制技術(shù)常用的方法是利用PWM信號(hào)進(jìn)行限制,由于PWM信號(hào)可使開關(guān)變換器開/關(guān),因此它可使白光LED的亮度穩(wěn)定化,同時(shí)還可以保證電池長時(shí)間的動(dòng)作特性.由圖5可知,周圍環(huán)境溫度一旦超過50C,白光LED的允許正向電流會(huì)大幅降低,在此情況下如果施加大電流,很容易造成白光LED老化.為了減緩白光LED的老化速度,所以必須根據(jù)周圍溫度調(diào)整基準(zhǔn)電壓Vref,減少電流的供應(yīng).白光LED驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是： 白光LED的正向電壓Vf非常高. 白光LED的正向電壓VF本身具有一定的波動(dòng)范圍. 全開工作時(shí)會(huì)使白光LED的耗電量增加. 電源電壓變動(dòng)會(huì)影響白光LED的亮度.為了使白光LED能穩(wěn)定地工作,且不受電