白光led驅(qū)動特性

1、白光LED驅(qū)動器 1、 白光LED驅(qū)動器的要求 驅(qū)動器可以看作是向白光led供電的特殊電源，可以驅(qū)動正向壓降為3.04.3V的白光LED，并根據(jù)需要驅(qū)動串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的多個白光LED，滿足驅(qū)動電流的要求。對驅(qū)動器的主要要求如下： 1.為滿足便攜式產(chǎn)品的低電壓供電，驅(qū)動器應有升降壓功能，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)動器應有高的功率轉換效率，以提高電池的壽命或兩次充電之間的時間間隔。目前高的可達80%90%，一般可達到60%80%。3.在多個白光LED并聯(lián)使用時，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、有關閉控制功能，在關閉狀態(tài)時一般靜態(tài)電流應小于1A。5.白光LED的最大電流ILED可設定，使用過程中可調(diào)節(jié)白光LED的亮度（亮度調(diào)節(jié)）。6. 有完善的保護電路，如低壓鎖存、過壓保護、過熱保護、輸出開路或短路保護。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，價位低。 2、 驅(qū)動器的分類從供電電壓的高低可以將驅(qū)動器分成三類：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)動器；2.大于5V供電，如6V、9V

3、、12V、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）或相應的高壓直流電（如40400V）供電，主要用于驅(qū)動大功率白光LED，采用降壓式DC/DC變換器驅(qū)動電路。 過去認為有電感的升壓式DC/DC變換器可輸出較大的電流。近年來，電荷泵式驅(qū)動器可輸出的電流已從幾百毫安上升到1.2A，并且兩者在轉換效率上也不相上下。對于采用LDO電路的驅(qū)動器，無需外圍組件及價位低是它的優(yōu)點，其缺點是轉換效率略低，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?？梢杂米靼坠釲E

4、D驅(qū)動電源的集成器件品種較多，大致分為恒流源、電荷泵和開關電源三種類型。（1） 恒流源 絕大多數(shù)LCD背景照明裝置都配有亮度控制器以便使用中根據(jù)環(huán)境光線的強弱進行相應調(diào)節(jié)。由于LED的光子發(fā)射源于電子、空穴對的復合，故其發(fā)射速率以及發(fā)光強度均與LED的正向電流成比例。為此，可控恒流源應是實現(xiàn)亮度控制最簡單的方案。但因白光LED的“色溫”也與工作電流直接有關，這類控制方案會使光源在整個亮度調(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背光裝置則大多采用PWM電源為LED供電，以避免這一“色偏”問題。 從實用的角度來看，對于電源電壓較高的車載設備，由于

5、多個白光LED可以串聯(lián)使用，所以采用配有脈寬調(diào)制器的集電極開路（OC）或電流鏡輸出級即可構成簡單的LED驅(qū)動器。 在電源電壓較為有限的應用場合，多個白光LED只能以并聯(lián)方式工作。此時，按照傳統(tǒng)的設計方法，通常需為每只白光LED配備獨立的限流電阻，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4V，但是目前的大量手持電子設備多以單一鋰電池供電，此時已經(jīng)無法再由設備電源直接驅(qū)動白光LED而必須借助于

6、各類電源變換器件?？梢杂米靼坠釲ED驅(qū)動器的電源變換器件包括不少種類，其中應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稱值可供選擇，用作白光LED驅(qū)動器時應選擇4.1V標稱輸出電壓。LM3354的開關工作頻率為1MHz，故而可以采用較小的開關電容器。LM3354的最大輸出電流為90mA，帶有片內(nèi)過熱保護電路，靜態(tài)電流與關斷狀態(tài)電流分別為475A和5A?？刂瓢坠釲ED亮度的脈寬調(diào)制信號可由器件的判斷控制（SD）端送入，其重復頻率應在60Hz以上，以免LED產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象；但也不宜超過200Hz，以保證開關電容器具

7、有足夠的放電時間。 白光LED以恒流源供電有利于抑制電源電壓變動所造成的不利影響，目前也確有不少電流輸出型電荷泵電路可供選用。LTC3200的反饋閾值電壓則可由“引腳編程”方式設定為200mV、400mV或600mV(第四種編程組態(tài)為“關斷”)，若以PWM信號令其間歇進入關斷狀態(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，最大輸出電流為125mA，可以同時驅(qū)動八只白光LED。LTC3200-5電壓輸出型電荷泵集成器件與LM3354的結構相似，但體積較為小巧，而且僅需一個開關電容；工作電壓為34.4V，工作頻率為2M

8、Hz，輸出電流可達100mA；唯其5V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閾值時會自動切換內(nèi)部電路結構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，但會增加器件的功耗。LM2794具有四路電流

9、輸出，每路為20mA。若欲調(diào)整白光LED的亮度，仍可在其關斷控制端加入脈寬調(diào)制信號，也可采用引入外部電流的方式改變其反饋閾值。該器件的電源電壓范圍為2.75.5V，電壓超過4.7V時會自動切換內(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的結構相近，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高有些好處，但有一定的開關噪聲。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

10、電源 電荷泵是以電容器作為儲能元件，但以升壓式開關電源作為白光LED驅(qū)動器的應用也較為廣泛。事實上，以電感器作為儲能元件的電感升壓式開關換器，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)動器的電感升壓式開關變換器多為電流輸出型。 目前，小功率集成電感升壓式開關變換器多帶有作為功率開關的片內(nèi)N溝道MOSFET管，但是儲能電感通常仍需外接。MAX1848的開關頻率為1.2MHz，以2.65.5V電源電壓工作時，最高輸出電壓可達13V，足以驅(qū)動23只串聯(lián)的白光LED。MAX1848還可同時驅(qū)動三路并聯(lián)負載，每路負載包括兩個串聯(lián)的白光LED。此應用需要配用三個采樣電阻，各路負載的電流匹配情

11、況不令人滿意。 LT1937電感升壓式開關變換器片內(nèi)功率開關的耐壓值高達36V，可以驅(qū)動六只白光LED串聯(lián)組成的單路負載。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定為520mA。白光LED的亮度調(diào)整仍可采用在反饋節(jié)點引入外加控制電流可將脈寬調(diào)制信號送入關斷控制端這兩種方法。 屬于電感升壓式開關變換器的器件還有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)動兩路共計八只白光LED。LM2704的特點在于片內(nèi)功率開關峰值電流可達0.5A，導通電阻僅為0.7，故而電源變換效率較高，同時易于解決小型封裝器件

12、的散熱問題。LX1993能以20mA的輸出電流驅(qū)動單路四只白光LED，其優(yōu)點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備的設計，電源效率都是一個不可忽視的重要問題。然而，對于白光LED驅(qū)動電路來說，各類集成器件變效率的比較看來并不是那么簡單。按照常規(guī)，器件生產(chǎn)廠商提供的電源變換效率指標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，足以影響其實際消耗功率在驅(qū)動器件輸出總功率中所占的比例，即白光LED驅(qū)動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際的電源變換效率往往具有很大影響，采用不同電路結構形式的驅(qū)動器件尤為顯著。而測定白

13、光LED工作于特定正向電流時的電源輸入功率，才是比較驅(qū)動電路變換效率的可靠方法。采用多只白光LED串聯(lián)使用的方案有利于提高驅(qū)動電路的整體效率，但在實際應用時這一方法將會受到以下兩方面的限制： 驅(qū)動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，才能基本保證整個照明面積具有足夠均勻的照度。 目前提高驅(qū)動電路變換效率的余地可以說已經(jīng)相當有限，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，其實是利用一種紫藍光LED所發(fā)出的短波長紫藍光激發(fā)涂布于輸出光學透鏡

14、內(nèi)壁的熒光材料，進而產(chǎn)生波譜較寬的白色復合光。由此可見，白光LED的紫藍光管芯、熒光材料乃至光學透鏡均可影響其發(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高了50%。另外，在大功率白光LED的開發(fā)方面亦有所進展，目前已經(jīng)研制成功正向電流達到數(shù)百毫安的LED，在作為交通信號等適應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背景照明領域的應用前景，已有相關的組件產(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型顯示控制器（東芝）均以白光LED作為背景光源

15、。若再配上電源變換器（可選件），整個組件便可以5V單電源供電。液晶屏有效顯示面積為132×39mm2，點距為0.51mm。 最近幾年便攜式電子產(chǎn)品大多改用正向電壓為3.6V（20mA）的白光LED作為背光照明單元。以移動電話為例，它使用了34只白光LED，然而一般鋰離子電池放電時的電壓經(jīng)常低于3.6V，為了符合白光LED 3.6V正向電壓的需求，必須借助于升壓電路才能獲得預期的效果。也就是說，白光LED驅(qū)動器必須具備以下功能：即使電池的輸出電壓下降，驅(qū)動器也能夠為白光LED提供充足的正向電壓VF。 第一代白光LED驅(qū)動器采用限流電阻進行電流匹配，以補償正向電壓的差異，從而保證白光LE

16、D亮度的一致性。然而，最新研制的白光LED驅(qū)動器不會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)動器可以是開環(huán)或閉環(huán)控制器、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)應用中，白光LED通過并聯(lián)或串聯(lián)方式連接在一起，但在個別情況下也可采用混合的串、并聯(lián)配置方式。對LED進行連接時采用串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)的方式聯(lián)決于應用的需要，每種配置方案都有本身的優(yōu)點和不足之處。 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控制，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

17、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)動器，而驅(qū)動器的采用取決于具體的應用要求。在恒壓拓撲中驅(qū)動并聯(lián)白光LED非常簡單，驅(qū)動器可以是開環(huán)電壓輸出的開關式DC/DC穩(wěn)壓變換器。每只白光LED都有一個串行連接的限流電阻，用來設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)動器，可以獲得良好的電流匹配，但其負面作用是影響效率。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

18、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與第一只白光LED的電流進行匹配。由于白光LED之間的正向電壓各不相同，因此電流匹配的精度非常有限。需要精確電流匹配的應用（如彩色LCD顯示等），可以使用內(nèi)部匹配恒流LED驅(qū)動器。這些驅(qū)動器可在白光LED之間提供精確的電流匹配，而無需考慮其正向電壓。 白光LED需要的正向電壓相對較高。最新的技術趨勢是將白光LED的正向電壓降低至3V以下。因單個鋰離子電池的電壓范圍為2.74.2V，其標稱電壓值為3.6V，如果白光LED的正向電壓低于3V，電池即可直接驅(qū)動白光LED電路（無需升壓），從而減少部件數(shù)量和降低成本。 與傳統(tǒng)白光LED驅(qū)動器不

19、同，如今的白光LED驅(qū)動器采用了主動匹配技術，為實現(xiàn)白光LED亮度恒定，由內(nèi)置的數(shù)字、模擬和PWM控制單元對白光LED的亮度進行調(diào)節(jié)。飛兆半導體最新的FAN5608系列LED驅(qū)動器整合了所有的亮度控制方式（數(shù)字、模擬、PWM），并支持特殊配置方案，容許兩個恒流源驅(qū)動多個白光LED串，每串LED都具有獨立的亮度控制，可以在兩個白光LED串上連接4只串聯(lián)白光LED，從而滿足驅(qū)動8只白光LED的要求。3、 白光LED的驅(qū)動特性 圖1給出了一般穿透式彩色液晶顯示器的結構。如圖1可知，LCD面板下方設有白光LED照明單元，白光LED產(chǎn)生的光線經(jīng)由導光板的反射后均勻擴散并射入LCD面板內(nèi)。 如圖2所示，傳

20、統(tǒng)背光照明單元的白光LED是并聯(lián)驅(qū)動的，白光LED的亮度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范圍，因此相同的電阻會使白光LED的亮度產(chǎn)生分布不均現(xiàn)象。 因電壓波動引起白光LED的亮度不相同時，背光照明單元的光線就會有照明不均問題。雖然使用電氣特性相同的白光LED可以改善亮度不均問題，但實際上無法獲得電氣性能完全相同的白光LED。應根據(jù)各白光LED的電氣特性，逐一調(diào)整負載電阻的阻抗值，但事實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值，由于流入各白光LED的電流ILED相同，因此

21、各白光LED產(chǎn)生的亮度幾乎一致。 每只白光LED最少需施加3.6V以上的驅(qū)動電壓才能獲得預期的亮度。如圖3可知，當多只白光LED串聯(lián)連接時，必須等比例提高驅(qū)動電壓。圖4所示是利用開關變換器NJM2360構成的白光LED驅(qū)動電路，該電路的基準電壓VREF為1.25V，施加于VIN端子。此方式中電阻RL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）假設各LED的電流ILED為15mA，RL約為830，三只3.6V的白光LED串聯(lián)連接時，LED的整體的驅(qū)動電壓VLED為VLED=VREF+NVF=1.25+3×3.6=12.05(V)式中：N為并聯(lián)

22、連接的白光LED的數(shù)量。 白光LED點亮時需要15mA的電流IF，不過周圍環(huán)境很暗時，往往不需作全開驅(qū)動，此時可控制驅(qū)動電流而改變白光LED的亮度，進而降低白光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。有關驅(qū)動電流控制技術常用的方法是利用PWM信號進行控制，由于PWM信號可使開關變換器開/關，因此它可使白光LED的亮度穩(wěn)定化，同時還可以確保電池長時間的動作特性。由圖5可知，周圍環(huán)境溫度一旦超過50，白光LED的允許正向電流會大幅降低，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)整基準電壓Vref，減少電流的供給。白光LED驅(qū)動電路的特點是： 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范圍。 全開工作時會使白光LED的耗電量增加。 電源電壓變動會影響白光LED的亮度。 為了使白光LED能穩(wěn)定地工作，且不受電壓VF波動以及電源電壓波動的影響