LED驱动电路避免组件与系统损害

LED驱动电路避免组件与系统损害

前言：高亮度LED再跨入成为液晶面板背光光源之后，高亮度LED的话题性热度，瞬间被市场提升，高亮度LED也从传统担任显示的角色转变成为光源提供者，来取代传统的冷阴极管。

一般而言，绝大多数的中小尺寸面板，都是利用3~10颗的白光LED，采用串连的方式来作为背光光源，甚至于手机或PDA的键盘背光也多是利用LED作为辅助照明之用，再加上欧盟对于无汞化的要求，因此对于更新一代的LED的驱动芯片和技术，也就相当地被市场所期待。

由于传统的冷阴极管是利用交流驱动，所以在整个的驱动线路较为复杂，并且需要INVERTER(反向器)，将产品机构中所使用的直流电，转换成高压交流电来驱动，所以，在低耗电、电路简单化、演色要求下，在中小面板的部分，采用白光LED来作为背光源已经相当普及了，并且白光LED除了有体积小、高亮度的优点外，驱动电路也较冷阴极管简单。在多色LED电路驱动设计部分，大部分都是利用场序交互点灯的驱动方式，藉此得以形成所谓的「Field Sequence」。好处是，可以让多色LED与液晶面板的Sub-Pixel、彩色滤光片来达到同步，达到更广的色彩表现范围，不过就整体结构的部分，需要搭配多色LED重新设计，因为包括，导光板、色转换电路等等，传统的部分组件都需要重新开发，虽然原件的材料上没有太大不同，但是结构上却需要配合LED的点光源特性重新设计。



图说：由于传统的冷阴极管是利用交流驱动，所以在整个的驱动线路较为复杂，并且需要INVERTER，将产品机构中所使用的直流电，转换成高压交流电来驱动。（Dawoouv）

依需求发展出多元化的驱动方式

对于驱动白光LED来说，电路本身需要供给白光LED固定的电压或固定的电流，而当可携式产品开始运作后，就会产生电压下降的现象，因而需要升压组件来进行升压、稳压。大部分的电路设计多采用电容来维持稳压，这是考虑到避免升压零件工作时，对于射频带来一些影响，所以，就整体的电路来说，稳压设计是相当重要的设计，来提供白光LED驱动所需要稳定电压电流，而就对于白光LED驱动的部分，在本身的电路设计上，也发展出多元化的驱动方式，保护相关组件以及提供所需的亮度。

因为LED的特性是利用电流来驱动的特性，所以LED的亮度表现与顺向电流有等比的依存关系，所以对于LED亮度的调整就必须有效的控制顺向电流变化，目前可以利用调整电流检测电阻，以及整流电阻来达到控制顺向电流。

采用整流电阻的目的是确保顺向电流都能够流向LED芯片，不过这样的做法会因为顺向电压的改变，影响顺向电流的强弱，会造成顺向电压的改变有很多因素，例如温度等等，这些都会使得LED亮度受到影响，产生功耗的浪费以及缩短电池的寿命。



图说：LED的特性是利用电流来驱动的特性，所以LED的亮度表现与顺向电流有等比的依存关系。（www.led365.com）

然而采用整电流检测电阻来确保顺向电流变化的做法，相较之下是比较好的，因为使用电流检测电阻可以确保流向LED的顺向电流，也因此可以消除顺向电压变化所带来的影响，如果期望改变LED顺向电流的话，只需调整电流检测电阻即可，不需要对整个输入电源进行改变。另一个好处是，如果驱动多个LED时，只需要将多个LED进行串联，因为电流检测电阻的作用关系，因此也可以确保流入每个LED的电流都是固定的，但是这样的做法对于并联的LED，并不适当，因为必须在每个并联的LED中安置一个电流检测电阻，当然缺点就是成本会因此而增加，并且效率也会大打折扣，当然也会影响电池的使用寿命。

所以事实上，设计完善的LED驱动电路，不仅仅是确保LED的亮度能够维持，更重要的是能够保护电池的使用寿命，来增加可携式产品在无来电源情况下的使用时间。另外还有一点是相当重要的，因为一般都是利用输出功率除以输入功率，来判定电源效率，但是对于LED驱动而言，在期望获得亮度的情况下来定义输入功率，所以并不能采用输出功率除以输入功率的方式，而是必须将LED功率除以输入功率，所得到的结果才是正确的效率测量。



图说：LED的特性是利用电流来驱动的特性，所以LED的亮度表现与顺向电流有等比的依存关系。（www.strong-hand.com）

利用传统模拟与PWM方式进行调光

大多数的可携式产品，对于面板的背光都设计有调光功能，也就是说，在有无交流供电、待机模式等等的情况下，都会对背光的亮度进行调整，来减少耗电，延长电池的使用时间，目前有PWM或者模拟(电压调整法)等两种的方式来对白光LED进行电流的控制与驱动，达到点灭控制、多段式亮度等等。

模拟的电压调整方法，就是单纯的改变输入电流，也就是说，所改变的输入电流比例也就直接地影响白光LED的明暗，这样的方式如果对于电流量的操控不够精准的话，些许的电压变化会造成输入电流产生变动，而使得白光LED难以达到所预期的亮度，但是如果要能够精确的让白光LED产生期望亮度的话，那么就需要相当复杂的电路设计，此外因为过大的电流，这会使得设计困难度与成本都大幅度的增加，此外还会对白光LED的波长产生影响，出现LED颜色偏移，一般而言使用，模拟电压调整方式的情况不大多见，所以目前大多是利用PWM的方式来进行调光。PWM是利用改变白光LED的Duty Cycle，改变周期百分比、频率来进行控制亮度，因此利用PWM调光可以达到相当精细的调整，不过，采用PWM方式的话，必须将工作频率提高到100Hz，因为如果低于100Hz的话，就会被眼睛察觉出PWM的脉冲现象，因此电源启动与响应时间是关键的条件。



图说：PWM是利用改变白光LED的Duty Cycle，改变周期百分比、频率来进行控制亮度，因此利用PWM调光可以达到相当精细的调整。

降压式驱动与升压式驱动各有优缺

利用PWM调光的方式，有两种类型，包括升压式和降压式，一般而言较多人使用升压式的驱动设计，这也意味着可以利用低于3V的电源来驱动白光LED，达到减少由电池所占据的体积，完成轻薄的产品设计。

采用升压驱动方式的好处是，如果FET毁损不会导致LED也被烧毁、输入电流的滤波比较简单、可以简化LED电流的侦测、简化PWM调光控制负担，根据业者的评估，升压电路的效率可以高达90％左右。但是也是有缺点，升压式的驱动设计，由于本身并不具有固定电流功能，如果当电压超过限值时，有可能会对LED或者电路中其它组件造成损毁。

目前，升压电路可以利用2种模式来完成：连续导通模式，以及不连续导通模式。这2种模式都是利用电感电流的波形来决定。连续导通模式是用在，输入电流大于1安培时，输出电压与输入电压比值小于或等于6，如果需要更大的输出电压与输入电压比就必须采用不连续导通模式，不过不连续导通模式产生较大的电流，有可能造成电感的毁损，也会让均方根电流增加，因此两者相较之下，不连续导通模式的效率较低。

而至于降压式的驱动设计，也有工程设计师偏爱使用，降压驱动的优点是，结构比较简单，并且成本也不至于太高，不过部分设计不佳的降压驱动芯片解决方案，当面对驱动电压较高时，会产生较大的功耗，使得电池的使用寿命减少，并且会产生高热的情况。所以，目前有业者开始开发具有固定电流功能的降压白光LED驱动芯片，避免因为驱动电路出现问题时，过高的电流造成LED损毁。



图说：PWM是利用改变白光LED的Duty Cycle，改变周期百分比、频率来进行控制亮度，因此利用PWM调光可以达到相当精细的调整。（www.ualg.pt）

过压保护延长电池的使用寿命

就如前述，对于白光LED驱动而言，最佳的状况是电源电路能够提供稳定的电压以及电流，来驱动白光LED，但是在电路的运作过程中，难免都会出现突波现象，如果负载电阻增大，相对的电源的输出电压也必须随之增加，所以对于利用固定电流驱动的白光LED，就必须设计出过压的保护措施，在出现过大负载时，也都能维持固定的电流提供LED驱动。目前提供过压保护这一方面，可以利用稳压二极管与LED进行并联，这样可以将电压维持在稳压二极管最大承受范围之内，当出现电压高于稳压二极管击穿点的过压的现象时，可以让电压流到电流检测电阻，藉此保护白光LED组件，所以利用稳压二极管和白光LED组件并联的方式可以确保流入白光LED的电压电流值都在固定的状态。此外也有设计者利用监控的方式来维持电源的稳定，透过监控机制的管理，当出现电源过压的情况时，立即关闭电源，来保护白光LED组件，并且可以延长电池的使用寿命。



图说：利用稳压二极管与LED进行并联，这样可以将电压维持在稳压二极管最大承受范围之内。（www.img.alibaba.com）

断电机制经常被工程师所遗忘

断电机制也是LED驱动电路设计中，需要考虑的机制之一，不过却会被工程师遗忘，而产生缩短产品使用寿命的情况。

因为在电压转换器断电期间，还是会出现负载经由电感以及二极管连接着输入电压，这是由于输入电压与LED处于连接的状态下，即使是电源不再供应，但是还是会产生些许的电流，如此处在经常都是如此状况下的话，那么漏电流就会对电池带来影响，使得电池的使用寿命大幅缩短。因此负载断开的设计，对于整体的电路来说，还是有存在的必要性。

另外，如果没有负载断开机制的话，还会对PWM调光的部分带来影响，因为当电源不提供电流时，输出电容还是会和白光LED连接着，所以，电力仍旧会慢慢地流向白光LED，当电源被打开，PWM调光机制重新运作的时候，电容在每个PWM循环开始时，都会产生放电的现象，并且将输出电容充电，因此当每个PWM循环开始时，就会出现突波脉冲，如果此时过压保护机制设计不佳的话，那么就会直接对白光LED造成程度不一的伤害。此外，突波脉冲更会使得整个的系统效能下滑。所以，在电源电路中加入断电机制时，LED就会与电源隔绝，当电源不再提供电力时，就不会出现漏电流的现象，并且PWM进行重新运作时，因为电容都是充满电力的情况，也不至于突波脉冲。



图说：当电源不提供电流时，输出电容还是会和白光LED连接着，所以，电力仍旧会慢慢地流向白光LED。（www.pcpop.com）

完善的设计驱动电路来保护电路

目前，全球各大解决方案业者，都积极开发结构更加完整、背光效率更高的白光LED驱动电路，提供工程设计师更简化的设计，以及更完善的电路保护，对于白光LED驱动来说，无论是采用那种驱动方式，最重要的还是能够完善的设计驱动电路，来保护电路中的各项组件，以避免不必要的突波或增加无谓的功耗，且可提高可携式产品以及电池的使用寿命与时间。

来源：DIGITIMES /作者：卢庆儒