LED驅動(dòng)電路：技術(shù)升級 追求高效

驅動(dòng)電路是LED(發(fā)光二極管)產(chǎn)品的重要組成部分，其技術(shù)成熟度正隨著(zhù)LED市場(chǎng)的擴張而逐步增強。無(wú)論在照明、背光源還是顯示板領(lǐng)域，驅動(dòng)電路技術(shù)架構的選擇都應與具體的應用相匹配。
作為LCD(液晶顯示器)的背光源，LED在便攜產(chǎn)品中的地位不可動(dòng)搖，即便是在大尺寸LCD的背光源當中，LED也開(kāi)始挑戰CCFL(冷陰極熒光燈)的主流地位；而在照明領(lǐng)域，LED作為半導體照明最關(guān)鍵的部件，更是因為頂著(zhù)節能、環(huán)保、長(cháng)壽命、免維護等諸多光環(huán)而受到市場(chǎng)的追捧。然而人們可曾關(guān)注，在光彩奪目的“明星”身后，有多少“配角”在默默奉獻？LED驅動(dòng)電路就是這樣一位“幕后英雄”。

驅動(dòng)技術(shù)逐步升級

LED的發(fā)光機理是在它兩端加上正向電壓，使半導體中的少數載流子和多數載流子發(fā)生復合，放出過(guò)剩能量，從而引起光子的發(fā)射。LED驅動(dòng)電路的主要功能是將交流電壓轉換為恒流電源，同時(shí)按照LED器件的要求完成與LED的電壓和電流的匹配。以白光LED為例，白光LED需要大約3.6伏的供電電壓才能實(shí)現合適的亮度控制。然而，大多數便攜式電子產(chǎn)品都采用鋰離子電池作電源，它們在充滿(mǎn)電之后約為4.2伏，安全放完電后約為2.8伏，顯然白光LED不能由電池直接驅動(dòng)，因而需要使用升壓電路在整個(gè)電池使用周期內不間斷地為L(cháng)ED穩定供電。
此外，許多產(chǎn)品設計者希望LED的亮度在不同的應用場(chǎng)合能夠作相應的變化，這個(gè)任務(wù)也將交給驅動(dòng)電路去完成。PWM(脈寬調制)技術(shù)是一種傳統的調光方式，它利用簡(jiǎn)單的數字脈沖，反復開(kāi)關(guān)LED驅動(dòng)器，系統只需要提供寬、窄不同的數字式脈沖，即可簡(jiǎn)單地實(shí)現改變輸出電流，從而調節LED的亮度。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供高質(zhì)量的白光，以及應用簡(jiǎn)單，效率高，但一個(gè)致命的缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生電磁干擾，有時(shí)甚至會(huì )產(chǎn)生人耳能聽(tīng)見(jiàn)的噪聲。北京思旺電子技術(shù)有限公司首席執行官裴石燕介紹了數字調光技術(shù)，利用該技術(shù)可以實(shí)時(shí)地控制LED亮度，并且避免了電磁干擾。
在完成“本職工作”的同時(shí)，某些廠(chǎng)商的LED驅動(dòng)電路中還被集成了一些附加功能，比如音頻功放。華潤矽威科技(上海)有限公司總經(jīng)理凌輝表示，目前已經(jīng)有很多企業(yè)在從事PMU(電源管理單元)的設計，即盡可能多地把一些模擬功能集成在單芯片里，這樣的設計可以在節省PCB(印制電路板)空間、提高可靠性、降低成本等方面作出一些貢獻，但是否需要采取這種方式，最終還是取決于產(chǎn)品應用的需求。

系統需求決定設計方案

如前所述，升壓是LED驅動(dòng)電路的重要任務(wù)，而電感升壓和電荷泵升壓是兩種不同的拓撲模式?！坝捎贚ED是由電流驅動(dòng)的，而電感在進(jìn)行電流轉換時(shí)效率最高，因此電感升壓方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是效率高，如果設計得當可以超過(guò)90%；不過(guò)它的缺點(diǎn)也同樣明顯，就是電磁干擾很強，對手機等通信產(chǎn)品的系統要求就非常高。隨著(zhù)電荷泵的出現，目前大多數手機都不再采用電感升壓方式。當然，采用電荷泵的升壓方式其效率將低于電感升壓?！绷栎x簡(jiǎn)要地列舉了兩種升壓方式的優(yōu)劣。
電荷泵和基于電感的轉換器工作在開(kāi)關(guān)模式，會(huì )在輸入、輸出端產(chǎn)生電壓、電流紋波?！坝袝r(shí)，紋波和噪聲會(huì )耦合到其他敏感電路(如手機的射頻收發(fā)器)，影響產(chǎn)品性能。輸入紋波的影響相對而言更顯著(zhù)，因為電池電源線(xiàn)在系統中是公用的，當開(kāi)關(guān)頻率相同、驅動(dòng)同樣的輸出負載、使用相同的輸入電容時(shí)，電荷泵架構和電感電路的輸入紋波在同一量級，增大輸入電容有助于降低輸入紋波?！盡axim公司便攜式通信設備電源產(chǎn)品線(xiàn)總監TonyLai解釋?zhuān)拜敵黾y波也是一個(gè)考慮因素，特別是當引線(xiàn)較長(cháng)時(shí)。長(cháng)引線(xiàn)如同一個(gè)天線(xiàn)，能夠向電路引入更多的耦合噪聲，由于電感升壓電路只需要兩條引線(xiàn)，可能更適合這一應用。當驅動(dòng)電路與LED的放置位置非常接近時(shí)，則推薦使用電荷泵。另外，電感升壓電路在電感與肖特基二極管的連接處有較高幅度的開(kāi)關(guān)波形，如果在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)加一個(gè)小電容，減緩開(kāi)關(guān)信號的上升/下降沿，將有助于降低電磁干擾，但同時(shí)會(huì )影響效率?！笨梢?jiàn)，最終的升壓方式和設計方案的選擇往往是根據系統的需求，在綜合考量各種技術(shù)指標之后達成的妥協(xié)。

提高效率是永恒主題

無(wú)論在照明應用還是背光應用領(lǐng)域，提高驅動(dòng)電路的轉換效率都是產(chǎn)品設計者必須面對的問(wèn)題。提高轉換效率，不僅有利于便攜式產(chǎn)品延長(cháng)待機時(shí)間，同時(shí)也是解決LED散熱問(wèn)題的重要手段。在照明領(lǐng)域，由于使用大功率LED，因此提高轉換效率就顯得尤為重要。
談到在提高效率方面的成果，裴石燕說(shuō)：“思旺電子的電荷泵升壓模式可選擇兩種倍增因子：1倍和1.5倍。當電壓在3.8V和4.2V之間時(shí)，芯片自動(dòng)選擇1倍模式，因為此電壓已足以驅動(dòng)白光LED；而當電壓低于1.5V時(shí)，芯片將自動(dòng)改用1.5倍模式，在這種模式下，即便電壓降至2.8V，LED仍舊能正常工作。這樣的混合模式在提高轉換效率的同時(shí)，也盡可能地延長(cháng)了電池的使用壽命?！?BR> 杭州士蘭微電子股份有限公司研究所副所長(cháng)吳建興表示，僅從技術(shù)角度而言，提高轉換效率并不復雜，但是器件本身要受外界條件約束，比如體積的限制，也就是說(shuō)要在有限的空間內盡可能地提高效率，這是設計人員所面臨的挑戰?！熬驼彰鲬枚?，提高LED器件本身的光電轉換效率會(huì )更有意義?！眳墙ㄅd補充道。