LED驅動(dòng)技術(shù)的種類(lèi)

　　對于顯示技術(shù)而言，不僅視頻信號處理上需要高清，背光調節的好壞，也直接影響著(zhù)視頻顯示效果。為了將“高清”技術(shù)進(jìn)行到底，廠(chǎng)商們在LED背光驅動(dòng)技術(shù)上也著(zhù)實(shí)下了不少功夫。

　　傳統上，LED的調光是利用一個(gè)DC信號或濾波PWM對LED中的正向電流進(jìn)行調節來(lái)完成的。減小LED電流將起到調節LED光輸出強度的作用，然而，正向電流的變化也會(huì )改變LED的彩色，因為L(cháng)ED的色度會(huì )隨著(zhù)電流的變化而變化。許多應用(比如汽車(chē)和LCD TV背光照明)都不能允許LED發(fā)生任何的彩色漂移。在這些應用中，由于周?chē)h(huán)境中存在不同的光線(xiàn)變化，而且人眼對于光強的微小變化都很敏感，因此寬調光范圍是必需的。通過(guò)施加一個(gè)PWM信號來(lái)控制LED亮度的做法允許在不改變彩色的情況下完成LED的調光。

　　人們常說(shuō)的真正彩色(True Color)PWM調光是利用一個(gè)PWM信號來(lái)調節LED的亮度。它實(shí)際上需要在滿(mǎn)電流和PWM頻率條件下進(jìn)行LED的接通和關(guān)斷操作。人眼的分辨極限是每秒60幀，通過(guò)增加PWM頻率(如提高到80~100Hz)，就能夠使人眼認為脈動(dòng)的光源是連續導通的。此外，通過(guò)調節占空比(接通時(shí)間的總量)，也可控制LED的亮度。目前，許多LCD TV設計師都需要高達3,000:1的調光比，以便針對眾多的環(huán)境光照條件進(jìn)行亮度調整。

　　系統工程師在挑選背光源時(shí)，究竟是該選RGB還是白光LED呢？凌力爾特公司電源產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Tony Armstrong指出，背光源(RGB或白光LED)的選擇可以根據特定最終產(chǎn)品的要求來(lái)進(jìn)行。不過(guò)，采用RGB LED來(lái)替代白光LED是有正當理由的，因為前者具有更加寬廣的色譜，這將顯著(zhù)地改善圖像質(zhì)量，以挑選LCD TV為例，消費者對色彩逼真度的關(guān)注程度是最高的。然而，采用RGB LED需要一個(gè)更大、更復雜而且更昂貴的解決方案。

　　凌力爾特的LT3476四通道LED驅動(dòng)器便是RGB LED驅動(dòng)器的一個(gè)實(shí)例。LT3476的每個(gè)通道能驅動(dòng)多達8個(gè)串聯(lián)的1A LED(紅光、綠光、藍光或白光)，因而使得LT3476能夠驅動(dòng)多達32個(gè)1A LED，并提供高達96%的效率。4個(gè)通道均可通過(guò)其獨立的True Color PWM信號來(lái)獨立運作，從而實(shí)現了其獨立調光，調光比可高達1,000:1。固定頻率、電流模式架構可在一個(gè)很寬的電源和輸出電壓范圍內實(shí)現穩定的運作。一個(gè)頻率調節引腳允許用戶(hù)在200kHz~2MHz的范圍內設置開(kāi)關(guān)頻率，以?xún)?yōu)化效率，并最大限度地縮減外部元件尺寸。其耐熱增強型5×7mm QFN封裝提供了一個(gè)非常緊湊的解決方案占板面積，很適合于大型LCD TV中常見(jiàn)的100W LED應用。

　　除了類(lèi)似于凌力爾特的將PWM信號用作控制信號來(lái)進(jìn)行亮度調節之外，是否還有其他技術(shù)也能達到很好的調光效果呢？飛兆半導體現場(chǎng)應用工程師Brian Law有著(zhù)自己的見(jiàn)解，他認為，區分LED驅動(dòng)器和標準升壓轉換器的關(guān)鍵要求之一是LED驅動(dòng)器能夠控制LED的亮度水平。調節亮度有三種常用方法：使用SET電阻；采用PWM技術(shù)；以及線(xiàn)性調節。最簡(jiǎn)便的方法是在IC中使用外部SET電阻。雖然這是有效的方法，但卻缺乏靈活性，無(wú)法讓用戶(hù)改變光強度。采用PWM技術(shù)和線(xiàn)性調節則可對光強度進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。但是這兩種方法各有缺點(diǎn)。采用PWM調暗LED會(huì )造成EMI噪聲，并引起白光LED朝向藍色光譜的色彩偏移?？赡苁禽p微的偏移，但可在敏感應用中檢測出。線(xiàn)性調節則會(huì )降低效率，并引起白光LED朝向黃色光譜的色彩偏移。至于哪種方法較優(yōu)，業(yè)界至今尚未有共識。結果是飛兆半導體開(kāi)發(fā)了最新的LED驅動(dòng)器，能夠用其中一種或結合兩種方法來(lái)調校亮度。FAN5617使用充電泵架構來(lái)驅動(dòng)三個(gè)并聯(lián)LED，并糅合了一個(gè)單線(xiàn)總線(xiàn)，讓用戶(hù)以線(xiàn)性或施加PWM信號來(lái)設置光強度。

　　然而，就這種“集成式”調光技術(shù)而言，飛兆并非首例。據北京思旺電子技術(shù)有限公司總裁裴石燕介紹，該公司近日推出的無(wú)電感Charge Pump型WLED驅動(dòng)IC SE3362也采用了類(lèi)似技術(shù)。SE3362內部設計有電流匹配控制電路，能有效控制LED電流，使每一路WLED的電流具有高的匹配度，以保證WLED亮度的一致性。通過(guò)外部Rset電阻可對WLED電流設定，其亮度還可通過(guò)多種方式進(jìn)行調節：

　　1. 使用一個(gè)直流電壓設置RSET管腳的電流，從而改變WLED電流，調節亮度；
　　2. 將PWM信號用作控制信號，通過(guò)占空比調節亮度；
　　3. 將GPIO施于控制端，通過(guò)占空比調節亮度；
　　4. 在RSET兩端并聯(lián)不同的轉換電阻，改變WLED電流調節亮度。

　　該驅動(dòng)IC可同時(shí)驅動(dòng)4顆并聯(lián)的WLED，最大電流達30mA/WLED，適合用來(lái)驅動(dòng)手機、PDA、DSC和PMP等LCD屏的背光LED。

提升可操作性，閃光燈領(lǐng)域比拼人性化

　　對于閃光燈這一應用領(lǐng)域，光是效率的提升已不足以滿(mǎn)足設備廠(chǎng)商的胃口。隨著(zhù)照相手機的普及，人們對照相性能的要求也越來(lái)越高。對于面向閃光燈應用的LED驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，可操作性是一個(gè)為其加分的性能，同時(shí)這也是眾多LED驅動(dòng)廠(chǎng)商們努力的方向。

　　研諾邏輯近日推出的LED驅動(dòng)器AAT1270為設計師提供了對閃光和電影模式操作的高靈活性控制，該產(chǎn)品可通過(guò)一個(gè)獨立的外部電阻對滿(mǎn)量程閃光LED電流進(jìn)行設置。在電影模式應用時(shí),缺省電流值的電流比設置為7.3:1，電影模式電流也可通過(guò)研諾邏輯專(zhuān)有的單線(xiàn)簡(jiǎn)易串行控制(S2Cwire)接口編程而設為15個(gè)其它比率。此外，為了防止閃光LED熱損傷，AAT1270配置了用戶(hù)可編程安全計時(shí)器，它可在設定的時(shí)間長(cháng)度內停止閃光活動(dòng)，還有一個(gè)獨立的閃光燈支持引腳，以同時(shí)啟動(dòng)閃光/閃光燈操作和安全計時(shí)器。最后，AAT1270還配置了一個(gè)異步閃光抑制接腳，在高電池需求期間可減少拍攝模式中的閃光電流。

　　同樣，為了提升用戶(hù)的照相體驗，恩智浦(NXP)半導體所發(fā)布的高效照相手機LED閃光驅動(dòng)器UBA3001則可在電池供電型手機中提供最大閃光效果輸出。增強的閃光性能可提高不良照明條件下的圖像質(zhì)量，由此顯著(zhù)改善用戶(hù)的視覺(jué)體驗。恩智浦UBA3001可為單顆高亮度LED提供1安培電流，由于它具備自動(dòng)升壓與降壓轉換功能，無(wú)論電池電量多少都可以獲得極好的閃光性能。該解決方案專(zhuān)為高要求的照相手機而設計，并提供一些專(zhuān)門(mén)的特性，如發(fā)射模式期間降低電流、自動(dòng)關(guān)機、真正LED關(guān)機，以及不同應用下電流設置的完全控制，包括閃光燈、手電，以及“相機/視頻-開(kāi)”的指示燈模式。

爭奪照明應用“潛力股”，力排效率障礙

　　在環(huán)保呼聲高漲的今天，節能照明技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越受到大眾的重視，歐、美許多國家甚至立法以規范照明管理。LED照明技術(shù)以其低功耗、長(cháng)壽命的優(yōu)勢當之無(wú)愧的成為了節能照明技術(shù)的“排頭兵”。

　　除了演出照明、景觀(guān)照明、住宅照明、防火照明等傳統照明市場(chǎng)之外，汽車(chē)前燈照明市場(chǎng)也是LED照明技術(shù)發(fā)展的大好空間。Tony Armstrong甚至認為：增長(cháng)最快的LED驅動(dòng)器集成電路市場(chǎng)是汽車(chē)前燈照明，從現在到2011年，年復合增長(cháng)率將超過(guò)150%。一個(gè)流行的應用領(lǐng)域是很多汽車(chē)和卡車(chē)的儀表板背光照明、內部照明和剎車(chē)燈。豪華型汽車(chē)制造商正在越來(lái)越多地采用最新的固態(tài)LED照明技術(shù)，用這些更輕、更小和更耐用的器件提供內部和外部照明，以提高未來(lái)車(chē)型的美感。

　　針對各種照明應用，如何提高LED發(fā)光效率是LED驅動(dòng)廠(chǎng)商們目前最為關(guān)注的話(huà)題。為了盡快推動(dòng)LED照明市場(chǎng)的快速增長(cháng)，各個(gè)廠(chǎng)商也相繼推出了一系列優(yōu)秀的LED驅動(dòng)產(chǎn)品。

　　聚積科技近日研發(fā)出的1.2A“定電流模式”高效率DC/DC轉換器MBI6650，利用了創(chuàng )新的Hysteretic PFM技術(shù)，除了能避開(kāi)對音頻的干擾外，還可以在大電流的狀態(tài)下具有快速切換頻率，而在小電流時(shí)具有慢速切換頻率，使得MBI6650在輕載與重載的系統轉換效率分別高達85%和90%，大幅提升了LED照明系統運作上的效率，達到省電的效果。針對高功率LED照明的應用，該芯片的輸入電流范圍還擴增至9~36V。此外，MBI6650內建的全方位保護措施及散熱片，能提高M(jìn)BI6650運作時(shí)的穩定性與安全性。

　　除了提升發(fā)光效率，增加集成度也是廠(chǎng)商們的努力方向。美信(Maxim)今年推出的高效LED驅動(dòng)器MAX16819和MAX16820僅需一個(gè)外部MOSFET和少量無(wú)源器件，即可驅動(dòng)高達3A電流的LED。每個(gè)器件均可以驅動(dòng)多達6個(gè)串聯(lián)LED，提供從1W到25W以上的輸出功率，效率高達94%。該系列驅動(dòng)器所具有的高邊電流檢測功能使器件從本質(zhì)上區別于標準降壓PWM控制器。由于其外部檢流電阻的壓降僅為200mV，從而降低了MAX16819/MAX16820的功耗。此外，高邊電流檢測和集成的電流調節電路減少了外部元件數，同時(shí)可輸出的LED電流精度達±5%。MAX16819和MAX16820無(wú)需使用外部電容，分別具有30%和10%的電流紋波。該系列產(chǎn)品適用于節能燈源以及汽車(chē)前后照明車(chē)燈。

　　雖然LED驅動(dòng)市場(chǎng)前景可觀(guān)，卻仍然有一些技術(shù)方面的因素制約著(zhù)其發(fā)展速度。Tony Armstrong指出，對于LED驅動(dòng)技術(shù)來(lái)說(shuō)，目前面臨的主要挑戰包括：1. 用可能低于、等于或高于負載電壓的電池電壓為一個(gè)或幾個(gè)LED串供電；2. 以大調光比高效率地對LED調光，同時(shí)在高和低亮度時(shí)保持顏色特性不變；3. LED驅動(dòng)器高效率工作是關(guān)鍵要求，尤其是在驅動(dòng)HB LED時(shí)更是這樣，因為所有未作為光輸出的功率都作為熱量耗散了。因此，各個(gè)半導體廠(chǎng)商在謀求LED技術(shù)更大發(fā)展的道路上，還有許多事情可以做。

各種白光LED驅動(dòng)電路特性評比

　　1996年，日亞化學(xué)的中村氏發(fā)現藍光LED之后，白光LED就被視為照明光源最具發(fā)展潛力的組件，因此，有關(guān)白光LED性能的改善與商品化應用，立即成為各國研究的焦點(diǎn)。目前,白光LED已經(jīng)分別應用于公共場(chǎng)所的步道燈、汽車(chē)照明、交通號志、可攜式電子產(chǎn)品、液晶顯示器等領(lǐng)域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率的特性，一般認為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源，因此，各廠(chǎng)商陸續推出白光LED專(zhuān)用驅動(dòng)電路與相關(guān)組件。鑒于此，本文就LED專(zhuān)用驅動(dòng)電路的特性與今后的發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。

1 定電流驅動(dòng)的理由

　　1.1 白光LED的光度以順向電流規范

　　白光LED的順向電壓通常被規范成20mA時(shí)，最小為3.0V，最大為4.0V，也就是若單純施加一定的順向電壓時(shí)，順向電流會(huì )作大范圍的變化。

　　圖1是從A、B兩家LED企業(yè)的產(chǎn)品中隨機取三種白光LED樣品進(jìn)行順向電壓與順向電流特性檢測的結果。根據檢測結果顯示，若利用3.4V順向電壓驅動(dòng)上述六種白光LED時(shí)，順向電流會(huì )在10~44mA范圍內大幅變動(dòng)。表1為白光LED的電氣與光學(xué)特性。

　　由于白光LED的光度與色度是以定電流方式量測的，所以，為獲得預期的亮度與色度，通常是用定電流驅動(dòng)。

表2為光學(xué)坐標的等級（rank）（IF=25mA，Ta=250C）。

　　1.2 避免順向電流超越容許電流值

　　為確保白光LED的可靠性，基本上就是需要設法避免順向電流超過(guò)白光LED的絕對最大設計值（定格值）。

　　圖2中，白光LED的定格最大順向電流為30mA，隨著(zhù)周?chē)鷾囟鹊纳仙?，容許順向電流則持續衰減，如果周?chē)鷾囟葹?0℃，通常順向電流就不能超過(guò)20mA。此外，利用定電壓的驅動(dòng)方式不易控制流入LED的電流值，因此就無(wú)法維持LED的可靠性。

2 白光LED的驅動(dòng)方法

　　圖3是驅動(dòng)白光LED常用的四種電源電路；圖4是上述六種隨機取樣白光LED穩定后的ReguLation精度特性。

　　圖4的測試結果顯示，ReguLator的負載特性出現在白光LED的VF角落上，即圖中的交叉點(diǎn)就是各白光LED的穩定動(dòng)作點(diǎn)。

　　2.1 使用電壓ReguLator的驅動(dòng)方式

　　圖3（a）的電路分別使用可以控制LED電流的電壓ReguLator與BaLLast電阻，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是電壓ReguLator種類(lèi)豐富，設計者可以選擇的自由度較大，而且與電壓ReguLator、LED的接點(diǎn)只有一點(diǎn)；缺點(diǎn)是BaLLast造成的電力損失會(huì )導致效率惡化。此外，LED的順向電流也無(wú)法獲得精密控制。

　　圖4（a）中可以看出，隨機取樣六個(gè)白光LED的順向電流，從14.2mA到18.4mA分布范圍非常廣，因此，A廠(chǎng)商LED的（平均值）順向電流高達2.0mA。相比之下，圖4（b）電路使用的ReguLator雖然有小型、低成本的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是可能會(huì )無(wú)法滿(mǎn)足性能與可靠性的要求，也就是說(shuō)本電路的實(shí)用性相對較弱。

　　2.2 使用定電流輸出的電壓ReguLator驅動(dòng)方式

　　圖3（b）的電路雖然可以使流入LED的所有電流穩定化，不過(guò)為了匹配（Matching）各LED的電氣特性，電路中特別設置了一組BaLLast電阻。

　　圖3（b）中的MAX1910屬于定電流輸出型的電壓ReguLator，雖然本電路使用同廠(chǎng)商、同批號（Lot）的白光LED，獲得了極佳的匹配性，不過(guò)，在使用不同廠(chǎng)商與批號的LED時(shí)，就會(huì )出現很大的特性差異分布。本電流Regu-Lator使用類(lèi)似圖3（a）的方式控制驅動(dòng)電流，不過(guò)它卻可以使BaLLast電阻的消費電力降低一半左右。

　　圖4（b）的測試結果顯示，流入六個(gè)隨機取樣白光LED的電流，從15.4mA到19.6mA，變化范圍非常大。因此，A廠(chǎng)商與B廠(chǎng)商兩者的LED是以平均17.5mA的電流驅動(dòng)。此電路的缺點(diǎn)是BaLLast電阻造成的電力損失有殘留之虞，而且又無(wú)法獲得LED電流的匹配性；不過(guò)整體而言，本電路兼具動(dòng)作特性與簡(jiǎn)潔性，所以具有相當程度的使用價(jià)值。

　　2.3 使用輸出型的MuLti　PuLL電流Regu-Lator的驅動(dòng)方式

　　圖3（c）的電路可以使流入LED的電流各自穩定化，因此不需要使用BaLLast電阻，電流的精度與匹配性ReguLator則由各自的電流ReguLator支配。

　　圖3（c）中的MAX1570　IC可以使上述電流ReguLation達成2％標準的電流精度，與0.3％標準的電流匹配性等目標。

　　由MAX1570　IC構成的電流ReguLator為低Drop　Out　Type，因此它的動(dòng)作效率非常高。圖4（c）的測試結果顯示，使用圖3（c）的驅動(dòng)電路時(shí)，流入六個(gè)隨機取樣白光LED穩定化的電流為17.5mA。

　　雖然ReguLator與LED之間需要四個(gè)連接端子，不過(guò)此電路不需要BaLLast電阻，所以可以有效抑制封裝面積，因此非常適合應用在封裝空間極為狹窄的小型液晶面板等領(lǐng)域。

　　2.4 使用升壓型電流ReguLator驅動(dòng)的方式

　　圖3（d）的電路是利用可以使電流穩定化的電感（Inductor），構成所謂的高效率Step　Up　Converter。本電路的最大特點(diǎn)是　Feed　Back　ThreshoLd電壓，可以減少電流檢測用電阻的電力損失。此外，LED采用串聯(lián)方式連接，所以流入白光LED的電流即使是在各種要求下，都能夠與LED完全取得匹配。

　　有關(guān)電流的精度基本上取決于Regu-Lator的Feed　Back　ThreshoLd精度，因此不會(huì )受到LED順向電壓的影響。

　　由MAX1848與MAX1561　IC構成的電流ReguLator的效率（PLED/PIN）分別是：三個(gè)LED＋MAX1848，87％；六個(gè)LED＋MAX-1561， 84％。

　　Step　Up　Converter的另一優(yōu)點(diǎn)是Regu-Lator與LED之間需要兩個(gè)連接端子，而且LED的使用數量不會(huì )受到Step　Up　Converter種類(lèi)的影響，這意味著(zhù)設計者會(huì )擁有更大的選擇空間。因此，Step　Up　Converter廣泛應用在各種尺寸的液晶面板；電路的缺點(diǎn)是電感外形高度、組件成本偏高，有EMI輻射干擾。

3　結束語(yǔ)

　　以上介紹了白光LED常用的驅動(dòng)電路，并通過(guò)實(shí)驗方式深入探討了各電路實(shí)際運行時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)和特性。由于LED結構的限制，因此會(huì )有波長(cháng)與驅動(dòng)電流精度不易控制等困擾，隨著(zhù)白光LED背光模塊應用需求的不斷增加，如何改善上述波長(cháng)與電流精度問(wèn)題，同時(shí)降低驅動(dòng)電路的制作成本，成為必須克服的問(wèn)題。