白光LED的基礎知識與驅動(dòng)(二)

許多便攜式或采用電池供電的設備使用白光LED作為背光。

特別是PDA彩色顯示器需要白色背景光，以恢復所希望的色彩，恢復色彩要與原物很接近。未來(lái)的3G手機支持圖片和視頻數據，這也需要白色背光。

數碼照相機、MP3播放器和其它視頻、音頻設備也包括需要白色背光的顯示器。

在絕大多數應用中，單個(gè)白光LED是不夠的，需要同時(shí)驅動(dòng)幾個(gè)LED。

必須采用特定的操作，以確保它們的強度和色彩一致，即使是在電池放電或其它條件變化時(shí)。

圖7給出了一組隨機挑選的白光LED的電流-電壓曲線(xiàn)。在這些LED上加載3.3V電壓(上端虛線(xiàn))會(huì )產(chǎn)生2mA至5mA范圍的正向電流，導致不同亮度的白光。

該區域中(如圖5所示)Y坐標變化很劇烈，會(huì )導致顯示色彩的不真實(shí)。

同樣，LED也具有不同的光強，這會(huì )產(chǎn)生不均勻的亮度。

另外一個(gè)問(wèn)題是所需的最小供電電壓，LED要求高于3V的電壓驅動(dòng)，若低于該電壓，幾個(gè)LED可能會(huì )完全變暗。

圖7：曲線(xiàn)顯示了不同白光LED的電流-電壓特性之間的相當大的差異，甚至是從同一產(chǎn)品批次中隨機挑選的LED，因此用恒定的3.3V驅動(dòng)這樣幾個(gè)并聯(lián)的LED會(huì )導致不同亮度的白光(上虛線(xiàn))。

鋰電池在完全充滿(mǎn)電時(shí)可以提供4.2V的輸出電壓，在很短的一段工作時(shí)間內會(huì )下降到標稱(chēng)的3.5V。由于電池放電，其輸出電壓會(huì )進(jìn)一步下降到3.0V。如果白光LED直接由電池驅動(dòng)，如圖3所示，則會(huì )產(chǎn)生如下問(wèn)題：

首先，當電池充滿(mǎn)電時(shí)，所有的二極管都被點(diǎn)亮，但會(huì )具有不同的光強和色彩。當電池電壓下降至其標稱(chēng)電壓時(shí)，光強減弱，并且白光間的差異變得更大。因此，設計人員必須考慮電池電壓和二極管正向電壓的數值，而需要計算串聯(lián)電阻的阻值。(隨著(zhù)電池徹底放電，部分LED將會(huì )完全熄滅。)

帶有電流控制的電荷泵

LED供電電源的目標是提供一個(gè)足夠高的輸出電壓，并且在并聯(lián)連接的LED上加載同樣的電流。注意(如圖5所示)，如果并聯(lián)配置的所有LED具有一致的電流，那么所有的LED將會(huì )具有相同的色彩坐標。Maxim提供帶有電流控制的電荷泵，以實(shí)現這一目標(MAX1912)。

圖8所示的三個(gè)并聯(lián)的LED，電荷泵具有較大量程，可以提高輸入電壓至1.5倍。早期的電荷泵只能簡(jiǎn)單的使輸入電壓倍壓，而新的技術(shù)則提供了更好的效率。將輸入電壓升高至恰好可以驅動(dòng)LED工作的電平。連接至SET(10引腳)的電阻網(wǎng)絡(luò )保證所有LED的電流一致。內部電路保持SET電平在200mV，這樣就可以計算出流經(jīng)每個(gè)LED的電流ILED=200mV/10=20mA。

如果某些二極管需要較低的電流，可以同時(shí)并聯(lián)驅動(dòng)3個(gè)以上的LED，MAX1912的輸出電流可達60mA。進(jìn)一步的應用和圖表可以參考MAX1912數據資料。

圖8：IC內部包括電荷泵和電流控制，電荷泵為白光LED提供足夠的驅動(dòng)電壓，而電流控制通過(guò)給每個(gè)LED加載同樣的電流來(lái)確保均勻的白光。

簡(jiǎn)單電流控制

如果系統提供高于二極管正向導通電壓的電平，白光LED可以很容易的被驅動(dòng)。例如，數碼照相機通常包括一個(gè)+5V供電電源。如果那樣的話(huà)，就不需要升壓功能，因為供電電壓足以驅動(dòng)LED。對于圖8所示電路，應該選擇一個(gè)匹配的電流源。比如，MAX1916可以同時(shí)驅動(dòng)3個(gè)并聯(lián)的LED(如圖9所示)。

MAX1916 pdf ：http://www.elecfans.com/soft/39/2008/200807255540.html

圖9：?jiǎn)蝹€(gè)外部電阻(RSET)設定流經(jīng)每個(gè)LED的電流數值，在IC的使能引腳(EN)上加載脈寬調制信號可以實(shí)現簡(jiǎn)單的亮度控制(調光功能)。

工作簡(jiǎn)單：電阻RSET設定加載至所連LED的電流。這種方法占用很少的PCB空間。除IC(小巧的6引腳SOT23封裝)和幾個(gè)旁路電容之外，僅需要一個(gè)外部電阻。IC具有極好的電流匹配，不同LED之間差別0.3%。這種結構提供了相同的色彩區域，因此每個(gè)LED具有一致的白光亮度。

調光改變光強

某些便攜式設備根據環(huán)境光線(xiàn)條件來(lái)調節其光輸出亮度，有些設備在一段較短的空閑時(shí)間之后通過(guò)軟件降低其光強。這都要求LED具有可調光強，并且這樣的調節應該以同樣的方式去影響每路正向電流，以避免可能的色彩坐標偏移。利用小型數模轉換器控制流經(jīng)RSET電阻的電流可以得到均勻的亮度。

6位分辨率的轉換器，比如帶有I2C接口的MAX5362或者帶有SPI接口的MAX5365，能夠提供32級亮度調節(如圖10所示)。由于正向電流會(huì )影響色彩坐標，因此LED白光會(huì )隨著(zhù)光強的變化而改變。但是這并不是問(wèn)題，因為相同的正向電流會(huì )使得這個(gè)組里的每個(gè)二極管都發(fā)出同樣的光。

圖10：數模轉換器通過(guò)一致改變LED的正向電流來(lái)控制LED的調光。

使色彩坐標不發(fā)生移動(dòng)的調光方案叫做脈寬調制。它能夠由絕大多數可以提供使能或者關(guān)斷控制的電源器件實(shí)現。例如，通過(guò)拉低EN電平禁止器件工作時(shí)，MAX1916可以將流經(jīng)LED的泄漏電流限定在1μA，使發(fā)射光為零。拉高EN電平可以管理可控的LED正向電流。如果給EN引腳加脈寬調制信號，那么亮度就與該信號的占空比成正比。

由于流經(jīng)每個(gè)LED的正向電流持續保持一致，因而色彩坐標不會(huì )偏移。但是，肉眼會(huì )感覺(jué)到占空比改變帶來(lái)的光強變化。人眼無(wú)法分辨超過(guò)25Hz的頻率，因此200-300Hz的開(kāi)關(guān)頻率是PWM調光的很好選擇。更高的頻率會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題，用來(lái)切換LED開(kāi)關(guān)的短暫時(shí)間間隔內色彩坐標會(huì )發(fā)生變化。PWM信號可以由微處理器的I/O引腳或其外設提供?？商峁┑膬啥鹊燃壢Q于所用的計數寄存器的字節長(cháng)度。

開(kāi)關(guān)模式升壓轉換器，具有電流控制

除了前面所提到的電荷泵(MAX1912)之外，還可以實(shí)現帶有電流控制的升壓轉換器。比如，開(kāi)關(guān)模式電壓轉換器MAX1848，可以產(chǎn)生最高至13V的輸出電壓，足以驅動(dòng)三個(gè)串聯(lián)的LED(如圖11所示)。這種方法也許是最簡(jiǎn)潔的，因為所有串接的LED具有完全相同的電流。LED電流由RSENSE與加載在CTRL輸入上的電壓共同決定。

圖11：數模轉換器通過(guò)一致改變LED的正向電流來(lái)控制LED的調光。

MAX1848可以根據前面所描述的任一方法來(lái)實(shí)現調光功能。通過(guò)LED的正向電流與加載在CTRL引腳的電壓成正比。由于當加載在CTRL上的電壓低于100mV時(shí)MAX1848會(huì )進(jìn)入關(guān)斷模式，這樣也可以實(shí)現PWM調光功能。

本文小結

如果能夠通過(guò)使LED正向電流相等而確保白光發(fā)射的均勻性，則可以并聯(lián)驅動(dòng)白光LED。為驅動(dòng)LED，應該選擇可控的電流源或者帶有電流控制的步進(jìn)轉換器。采用電荷泵或者開(kāi)關(guān)升壓轉換器可以實(shí)現這樣的與幾個(gè)標準產(chǎn)品的結合。