針對便攜式應用的LED驅動(dòng)解決方案

　　摘要： 本文將總結部分常用LED驅動(dòng)方案，然后詳細探討一些更新穎的LED驅動(dòng)方法。

　　關(guān)鍵詞： LED驅動(dòng);白光LED;LED匹配;LED調光;便攜

　　引言

　　LED驅動(dòng)已迅速成為功率轉換技術(shù)日益重要的應用領(lǐng)域。除了要求更高效率、更低靜態(tài)電流之外，LED驅動(dòng)還有不少更精細的要求，如LED匹配、調光、白光平衡等等。另外還有一些基本架構問(wèn)題，如LED是串聯(lián)還是并聯(lián)連接、是進(jìn)行高端還是低端關(guān)段。某些特定的LED實(shí)現方案能夠獲得不同程度的效果，比如眾所周知的感應式升壓解決方案和電荷泵倍增器。而分數電荷泵、4開(kāi)關(guān)降壓-升壓解決方案和多路電感解決方案則被人忽略。后者也被稱(chēng)為“SIMO”，即單電感多輸出，未來(lái)，隨著(zhù)白光LED背光被更復雜的RGB同類(lèi)產(chǎn)品所取代，預期這種技術(shù)將扮演越來(lái)越重要的角色。

　　LED簡(jiǎn)介及工作原理

　　便攜式產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是逐漸向更多多媒體應用轉變。這一趨勢要求使用能夠支持數百萬(wàn)顏色的、分辨率更高的顯示屏。顯示屏的傳統照明方法是采用真空熒光燈管，但最近廣泛采納的是LED。LED的尺寸小得多，這對便攜式產(chǎn)品非常有利，而且LED的功耗也更小，還遠比真空熒光燈更為可靠。不過(guò)，如何保持恒定的光強度和顏色是這一照明技術(shù)面臨的最大挑戰。了解白光LED的工作原理有助于了解如何確保其強度和顏色一致。

　　由于LED是半導體器件，相比其他光源，它具有獨特的特性，其中最顯著(zhù)的是電流和光強度之間的非線(xiàn)性關(guān)系。圖1顯示一些典型LED的這種關(guān)系。

圖1一些典型LED的電流和光強度之間非線(xiàn)性關(guān)系

　　第二個(gè)顯著(zhù)特性是有關(guān)LED的正向壓降。不同于白熾燈泡，LED并非純粹的電阻式負載。正向壓降隨LED顏色而改變。一般而言，紅光LED的正向電壓為2.2V，綠光LED的正向電壓3.1V。白光LED和藍光LED的正向電壓相同，典型值都是3.3V。

　　為便攜式設備中這些LED提供恒定的電壓和電流是一大挑戰。供電電源必須能夠自我調節以適應不斷降低的電池電壓，否則光強度會(huì )隨電池電壓而變化。因此，這些設備需要非常特殊的電源。

　　驅動(dòng)器選擇

　　保持LED電流和電壓恒定的常用架構有3種。第一種是針對串聯(lián)LED結構的感應式升壓調節器。第二種仍是相同的感應式升壓調節器，但用于并聯(lián)LED結構。最后一種是電容式電荷泵。這些架構各有其優(yōu)勢，但對于給定的應用，僅有一種能夠提供最大的優(yōu)勢。

　　感應式升壓調節器

　　感應式升壓架構 (比如飛兆半導體的FAN5608) 的基本工作原理是利用電感的電流存儲能力。電感可以阻止電流變化，正負皆然。這種阻抗能力對器件上壓降的影響可以下式表示：

　　這一簡(jiǎn)單的公式表明了升壓轉換器的工作原理。晶體管導通，電流開(kāi)始在電感中流過(guò)，然后晶體管關(guān)斷。由于電流無(wú)法瞬間降為0，它繼續流經(jīng)二極管。電流逐漸減小，di/dt變?yōu)樨?，導致電感上的電壓為負?/p>

　　利用克?；舴?(Kirchokff) 電壓定律，可計算出輸出電壓。

　　Vin·ton+(Vin-Vout)·toff=0

　　上式可重新整理為

　　這里D代表ON占空比。由于D的范圍在0到1之間，故輸出電壓總是比輸入電壓高。輸出電壓與占空比成正比，因此，為了產(chǎn)生更高的電壓，必須提高占空比。FAN5608利用這種方法可使最大輸出高達18V。這樣一來(lái)，可驅動(dòng)多達4到5個(gè)串聯(lián)LED。對并聯(lián)結構，FAN5608能夠產(chǎn)生高達40mA的電流。

　　電容式電荷泵

　　電荷泵利用電容來(lái)存儲能量，可以把輸入電壓提升到1、1.5或 2倍。通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)陣列和一個(gè)時(shí)鐘，電容可以交替性地進(jìn)行并聯(lián)充電和串聯(lián)放電，從而提高輸出電壓。圖2~圖5可以很好地解釋這一原理。

圖2 

圖3

圖4

圖5

　　該調節器的最大輸出電壓取決于電容的數量和分配給充電及放電的時(shí)間。飛兆半導體的FAN5607使用了兩個(gè)電容，有1×、1.5×和2×三種模式。在2.4V 到 5.5V的輸入電壓范圍上，該器件能夠為4個(gè)白光LED的每一個(gè)提供高達30mA的電流。

　　LED拓撲

　　利用感應式升壓轉換器，LED能夠被串聯(lián)驅動(dòng)或并聯(lián)驅動(dòng)。串聯(lián)陣列可確保通過(guò)所有LED 的電流都相同，從而保證相同的光強度。這種方案的缺點(diǎn)是，驅動(dòng)器的輸出電壓必需等于或超過(guò)所有LED的正向電壓總和。在某些應用中，這就可能高達24V，于是需要采用擊穿電壓超過(guò)24V的硅工藝，這一般會(huì )增加器件的成本。其次，升壓轉換器的效率也隨輸出電壓的增加而受到影響。表1所示為讓4個(gè)白光LED產(chǎn)生相同的光量，三種不同拓撲所需功率之比較。如果對效率的要求比較高，串聯(lián)拓撲并不是好的選擇。

　　盡管轉換器不需要把電壓提升到太高(如3.3V)就可驅動(dòng)并聯(lián)陣列，但并聯(lián)拓撲需要對每一個(gè)LED進(jìn)行電流調節。由于LED的光強度隨電流而變化，所有LED中的電流需要匹配，以保持每一個(gè)LED的光強度穩定。這增加了系統的復雜性和成本。并聯(lián)拓撲的優(yōu)勢在于效率高，從表1數據可看出，FAN5608在并聯(lián)模式下的的效率比串聯(lián)模式下略高。

　　電荷泵主要用于驅動(dòng)并聯(lián)陣列，因為輸出電壓與充電電容的數量有關(guān)。電荷泵有一些優(yōu)點(diǎn)，它們一般只需要較小的板空間，因為電容可以小至0402封裝大小。這是一個(gè)很顯著(zhù)的優(yōu)勢，尤其是在終端產(chǎn)品為便攜式設備時(shí)。對便攜式無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品而言，還有一個(gè)好處是產(chǎn)生的EMI更少。即使使用屏蔽電感，感應式升壓調節器產(chǎn)生的EMI噪聲也超過(guò)了普通電荷泵的。這可是手機等便攜式接收器的一個(gè)重要考慮事項。FAN5607產(chǎn)生的EMI噪聲極少，這使它非常適合于驅動(dòng)手機顯示屏中的白光LED。不過(guò)，若對板空間和EMI的要求都不太嚴苛的話(huà)，電荷泵可能就不是適當的解決方案。因為，對這種方案來(lái)說(shuō)，要減小尺寸，就得犧牲效率。電荷泵不是最高效的升壓調節器，故在計算電池功耗時(shí)，必須考慮到這種影響。

　　調光方法

　　調光有利于改變照明光強度以實(shí)現功耗目標或美學(xué)價(jià)值。LED調光有兩種常用方法。第一種是簡(jiǎn)單地調節電流，電流的微小變化引起LED強度的微小變化，這個(gè)過(guò)程非常易于控制。第二種方法是利用脈沖寬度調制時(shí)鐘來(lái)改變LED的ON占空比，通過(guò)LED的平均電流隨占空比的減小而降低。這種方法的主要考慮事項是時(shí)鐘頻率，必須足夠高至感覺(jué)不到閃爍。一般需要達到1kHz或更高。線(xiàn)性調節和脈沖寬度調制都對白光LED的顏色有影響，但作用相反。

　　絕大多數白光LED都只是帶磷光質(zhì)涂層的藍光LED而已。磷光質(zhì)中的電子被短波長(cháng)光激發(fā)，發(fā)出白光。白光LED的顏光或色度將隨光振幅、峰值波長(cháng)或頻譜形狀的變化而變化。而上述因素又將隨結溫變化而變化。采用線(xiàn)性電流調節的調光方法會(huì )讓白光LED偏黃色，因為磷光質(zhì)在電流減小時(shí)更有效。采用脈沖寬度調制的調光方法則會(huì )使LED偏藍色，因為磷光質(zhì)作用變小。這種影響緣于峰值波長(cháng)向更短的波長(cháng)移動(dòng)。

　　FAN5607 和 FAN5608都考慮到了上述任一種調光方法的實(shí)現。這兩款器件都帶有可變模擬輸入，可線(xiàn)性調節電流。兩款器件都能夠產(chǎn)生脈沖來(lái)導通或關(guān)斷輸出。 理想的調光方法是結合上述兩種方法，把色差減至最小。

　　結語(yǔ)

　　LED是高效的便攜式設備顯示屏照明方法。由于它們采用半導體技術(shù)，故需要獨特的調節手段。電荷泵和感應式升壓調節器可提供最好的電源解決方案，不過(guò)它們各有其優(yōu)勢，應該針對特定應用具體考慮。效率、最小EMI輻射、更小尺寸的重要性都表明必需選用適當的驅動(dòng)器。另一個(gè)重要因素是調光方法。脈沖寬度調制和線(xiàn)性調節的結合可提供穩定的調光方法，同時(shí)盡可能地減少色差。確保LED提供恒定光不是什么挑戰，但解決方案應該針對相關(guān)應用量身定做，以最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢。