白光LED的并联和串联驱动

白光LED的并联和串联驱动

白光LED被普遍用作便携式设备LCD的背光光源，原因是它们的复杂程度低、成本低且尺寸小于CCFL背光光源。PDA、移动电话和数码相机等便携式设备已逐步过渡到彩色LCD显示屏，因此，越来越多的产品需要背光光源。白光LED已成为一种通用的照明光源。单色显示器可以使用电致发光背光灯或彩色LED作为背光光源，而彩色显示器则需要白光灯源，以正确显示色彩。目前提供白光灯源的方法主要有两种：白光LED和CCFL。CCFL在笔记本电脑中已经应用了很多年，但是考虑到光源尺寸、复杂性及成本优势，白光LED成为小型手持设备的首选光源。

白光LED只需较低的直流电压（3~4V），因此，可以采用简单的基于电感或电容的电路供电。相反，CCFL则需要很高的交流电压（有效值为200~500V），成本高、体积小，需采用基于变压器的电路。红光和绿光LED的正向压降为1.8~2,4V（典型值），一些常用电池即可提供足够高的电压，直接驱动这些LED。然而，白光LED的正向压降为3~4V（典型值），通常需要一个独立电源供电。光强与流过白光LED的电流有关，电流越大光强越高，满亮度输出时电流大约为20mA。数码相机和移动电话一般需要2~3只白光LED作为背光光源，PDA一般需要3~6只白光LED作为背光光源。可以通过并联或串联方式驱动白光LED。并联方式的缺点是白光LED的电流及亮度不能自动匹配。串联方向可保持固有的匹配特性，但需要更高的供电电压。

无论是并联方式还是串联方式，大多数手持设备的电池电压都不足以驱动白光LED，所以需要升压式变换器。电荷泵式变换器利用小电容实现电压转换，尺寸最小，成本最低。但是，电荷泵式变换器只能产生输入电压倍数的电压（如1.5×模式、2×模式）。因此，串联白光LED通常需要基于电感的变换器。利用基于电感的变换器，可实现更高的升压比，而且能够在较宽的输入至输出电压范围内保持高效。

在绝大多数应用中，单只白光LED是不够的，需要同时驱动几只白光LED。因此，必须采用具有亮度控制电路的驱动器，以确保它们的强度和色彩一致，即使是在电池放电或其他条件变化时，也能保证各白光LED的发光亮度一致。

图1给出了一组随机挑选的白光LED的电流—电压曲线。在这些LED上加载3.3V电压（上端虚线所示）时会产生2~5mA的正向电流，导致发出不同亮度的白光。该区域中纵坐标变化很剧烈，会导致显示色彩的不真实。同样，白光LED也具有不同的光强，这会产生不均匀的亮度。另外一个问题是所需的最小供电电压，白光LED要求用高于3V的电压驱动，若低于该电压，几只白光LED可能会完全变暗。

图1显示了不同白光LED的电流—电压特性之间有相当大的差异，甚至是从同一产品批次中随机挑选的几只白光LED也是如此。因此，用恒定的3.3V电压驱动这样几只并联的白光LED会导致不同亮度的白光（上端虚线所示）。

1、 驱动并联白光LED

锂离子电池在完全充满电时可以提供4.2V的输出电压，但在很短的一段工作时间内就会下降到标称的3.5V。由于电池放电，其输出电压会进一步下降到3.0V。如果白光LED直接由电池驱动，则会产生如下问题。

首先，当电池充满电时，所有的二极管都被点亮，但会具有不同的光强和色彩。当电池电压下降至其标称电压时，光强减弱，并且白光间的差异变得更大。因此，设计中必须考虑电池电压和二极管正向电压的数值，而且需要计算串联电阻的阻值。随着电池彻底放电，部分白光LED将会完全熄灭。图2所示是驱动并联白光LED的三种电路，其采用的驱动并联白光LED的方法是：

① 利用现有电源独立调节流过每只白光LED的电流。

② 只调节电源电压，依靠白光LED的一致性和串联电阻使电流匹配。

③ 调节流过其中一只白光LED的电流，依靠白光LED的一致性和串联电阻使其余的白光LED电流匹配。

（1） 独立调节流过每只白光LED的电流

若有一个足够高的电压来驱动白光LED正向导通，那么，只需设计电流控制电路，即可提供足够的电流驱动满亮度下的所有白光LED。

图3所示电路是利用MAX1916以恒定电流驱动三只白光LED的电路，是白光LED亮度匹配的低成本解决方案。假设电流设置在所要求的白光LED最大亮度电流与最大额定电流之间，为了保持显示器亮度一致，电流匹配必须有较好的匹配度。典型的电流匹配度为0.3%，设定电流精度为±10%。每路输出的压差小于410mV，以保持20mA电流。这样，只需4.2V电压即可驱动3.8V的LED。白光LED的引脚电流设为流入SET引脚电流的230倍。为给SET引脚提供偏置电流，把电阻R_SET连接到SET引脚，利用大于1.215V的电压为SET引脚提供偏置电压。MAX1916采用SOT-23封装，提供0.3%的电流匹配度。图4所示电路有多种动态调节白光LED亮度的方法。

方法一：用D/A变换器驱动R_SET，如图4（a）所示。白光LED电流是D/A变换器输出电压减去SET引脚偏置电压的函数。D/A变换器可以选用SOT-23封装的低成本集成电路MAX5360~MAX5365。

方法二：利用控制器的I/O引脚控制多个电阻，可组成一个简易的亮度调节器，如图4（b）所示。将控制引脚在高态（ON）和低态（OFF）之间切换，以得到所要求的SET引脚电流。

方法三：利用逻辑电平PWM信号驱动EN引脚，如图4（c）所示。许多处理器的端口都能提供占空比为0~100%的低频PWM信号。MAX1916的EN引脚的响应时间允许PWM运行在高达2kHz左右的频率下。

低成本的MAX1574/MAX1575/MAX1576 电荷泵控制器结合了升压电源和电流调节功能，这些器件具有较高的输出电流、很好的电流匹配度以及较高的工作效率，并可提供自适应模式切换和过压保护，可驱动8只白光LED。

自适应切换电路对输入电压进行检测，并确定效率最高的升压比（例如，1×模式、1.5×模式或2×模式）。利用一串脉冲码，通过Dual Mode^TM使能引脚，可以调节亮度（相当于设置电流的百分比）。

图5所示的MAX1574电荷泵驱动电路能够以高达180mA的电流驱动三只白光LED。1MHz的开关频率允许电荷泵使用小尺寸陶瓷电容。图6所示的MAX1576电荷泵电路能够以高达480mA的总电流驱动两组（每组四只白光LED）白光LED。对于闪烁状态的白光LED组，允许每只白光LED的电流达到100mA。每组白光LED具有独立的电流设置、脉冲亮度调节和2线亮度控制功能。利用自适应开关，在单节锂离子电池的整个放电过程中平均效率可以达到83%。对于使白光LED闪光灯的数码照明机，MAX1576是理想选择。

MAX1575是该系列产品的另一款芯片，能够以高达120mA的总输出电流驱动两组白光LED（四只主屏白光LED和两只子屏白光LED）。

（2） 采用稳压输出电源驱动电路

采用稳压输出电源驱动电路与独立调节流过每只白光LED的电流方法相似，使用稳压输出电源的方法非常经济，但电流精度不如独立调节流过每只白光LED的电流的方法。由于使用稳压输出电源的方法不能实现稳流，所以流过每只白光LED的绝对电流必须保持在所要求的最大亮度电流与白光LED的最大额定电流之间。电流匹配度必须足够好，以便保持亮度均匀。采用稳压输出电源驱动时，流过白光LED的电流可由稳压电源的输出电压（V_OUT）减去白光LED的正向电压（V_D）后除以R确定：

I=（V_OUT-V_D）/R （1）

图7所示为典型手持设备中两只白光LED的I-V特性曲线。在相同电流下，白光LED的电压并不相等。图8所示为白光LED的电压差与电流的函数关系。

针对白光LED正向电压的匹配度对电流匹配度的影响，可利用式（2）计算白光LED电流的比值。I₁与I₂的比值为

I₁/I₂=R₂（V_OUT-V_D1）/[R₁（V_OUT-V_D2] （2）

假设R1=R2，式（2）可简化为

I₁/I₂=（V_OUT-V_D1）/（V_OUT-V_D2） （3）

当V_OUT非常高时，式（3）趋于1。因较高的输出电压V_OUT有助于得到较好的电流匹配度，电阻R必须与V_OUT-V_D成比例增大，以便保持恒定电流。较高的V_OUT带来电阻R消耗的功率增大。为此，在电路设计时需要折中选择电路效率和电流匹配度。

例如，以5V电源驱动3.60V的白光LED，R上的电压为1.40V。若换成3.42V的白光LED，由R上的电压增加到接近1.58V，白光LED的电流增加13%。需要注意的是，此时白光LED的电压仅有5%的变化。

① 绝对精度。使用稳压输出电源驱动白光LED时电流的绝对误差可用式（1）计算。对于所选择的白光LED，利用V_D与I_D的关系曲线（见图8）进行计算。

将所期望的工作电流I对应的V_D标称电压及所选择的V_OUT代入式（1），可以解得电阻值R₀得到电阻值R后，利用白光LED数据资料中最差条件下的V_D求解式（1）。须考虑温度变化对V_D的影响。这样能够得出白光LED电流的范围，电流范围必须小于白光LED的最大额定值。

② 亮度调节。在稳压输出电源驱动电路中，可通过改变V_OUT调节白光LED的电流。在使用同一电源时，并不推荐这种方法。可供选择的是用MOSFET管与开关电阻并联组成简单的亮度调节器，如图9所示。但是，当需要多级亮度调节时，这种方法的成本将急剧增高。这时，应考虑采用集成方案或串联驱动方式。用MOSFET管控制与R_1a~R_3a并联的电阻R_1b~R_3b，进行亮度调节。

(3)采用稳流输出变换器

在用稳流输出变换器驱动白光LED的电路中，流过其中一只白光LED的电流通过电阻R₁检测，并由变换器稳定调节该电流。变换器的类型可以是基于电感的变换器，也可以是电荷泵或线性稳压器。白光LED的电流方程与式（1）相同，但条件不同，这里稳定的是I₁，而不V_OUT，公式为

I₁=V_FEEDBACK/R₁ （4）

由于只调节了一个电流，其余白光LED的正向压差会导致电流误差。图10所示为改进后增大R₁的电路。因为电流必须保持恒定，将R₁分为R_1a和R_1b。R_1b控制电流，R_1a控制输出电压，R₂和R₃设置为R_1a+R_1b。采用稳流输出变换器的电路的电流匹配通过增大R_1a得到改进。

图11所示电路利用MAX1910/MAX1912电荷泵实现电流调节。图中增加了亮度调节电路，且所有白光LED共用一个检测电阻，以便调节总电流。为提高效率，控制器提供1.5×模式和2×模式升压选择，可提供高达120mA的输出电流，具体取决于输入电压。

2、 驱动串联白光LED

驱动串联白光LED时，由于流过每只白光LED的电流相同，可以获得均匀的亮度。该设计的缺点是驱动电压为各白光LED正向压降之和，需要驱动器输出满足LED串联所需的驱动电压。这种串联配置需要基于电感的变换器，以便在高压时获得高效率。在选择这种类型的变换器时，必须考虑Lx引脚的额定输出电压。

表1给出了几款变换器Lx引脚的额定电压及可以驱动串联白光LED的数量。Lx引脚的最大额定电压与白光LED串联后的最大电压之间需要保留一定的安全裕量，以允许过压关断。

例如，MAX8596Z是专为驱动多达八只串联白光LED而设计的开关变换器，其应用电路如图12所示。该器件具有2.6~5.5V的输入电压范围，允许单节锂离子电池或三节NiGd/NiMH电池进行供电。MAX8596Z采用节省空间的8引脚TDFN封装形式。由于它工作在高速1MHz PWM方式，因此，允许选用小巧的外部元件。MAX8596Z具有32~36V的过压锁存门限，当出现白光LED开路时能够有效地保护集成电路。另外，该器件还具有高温降额功能，当温度超过+42℃时输出电流降低，以便减少白光LED的功耗。

可用任意直流电压或未经滤波的PWM信号驱动CTRL引脚，调节白光LED的电流。采用0.24~1.72V的CTRL引脚电压驱动白光LED从最暗到满亮度变化。超过1.72V时，输出电流被钳位在最大值。可以采用200Hz~200kHz的PWM信号调节白光LED的亮度。