白光LED的驱动电路

白光LED的驱动电路

1、 提升电源调节器驱动白光LED的电路

白光LED的应用使闪光灯进入更新型的应用领域，它所显出的可靠性、耐久性以及白光LED的功耗控制能力使这些器件极具吸引力。在采用白炽灯时，对器件的电源管理只是简单的开关切换。然而白光LED不能直接采用闪光灯中的电池进行工作，因为它要求的电压是介于2.8V和4V之间的，而相比之下电池电压只有1.8V~3V。电源管理的复杂性有所增加，因为白光LED的光输出与电流相关，而白光LED的特征与电压呈现出极端非线性的关系。解决此问题的方法之一是提高电源的电流限制能力。

采用提升电源调节器驱动白光LED的电路如图1所示。提升电源调节器TPS6200×可以产生白光LED所需要的高电压。内部升压功率级可连接V_IN与PGND端，从而为输出引脚L提供电流。此电路通过打开输出端开关进行工作，从而可以连接电感器L₁上的电池电压。一旦电感器L₁储存了足够的能量，输出端开关立即关闭。电感器电流可驱动开关节点切换到负极，并驱动输入端的能量转移到输出电容器C₁中。由于输出端与输入端的开关是MOSFET管，因此压降低于二极管方案，从而可以实现高的效率。调节器TPS6200×通过检测电阻器能监控流经白光LED的电流，同时将检测电压与内部的0.45V参考电压进行对比，以实现调节功能。因此，电流与照度是检测电阻器电压的函数。虽然TPS6200×的内部参考电压比其他大多数变换器的电压要低，但也会造成功率损耗。在采用2.8~4V的白光LED电压时，其效率将降低10%~14%。应通过降低电阻器的阻值并采用放大器实现低电压，以降低这种损耗。

图1 提升电源调节器驱动白光LED的方案

图2示出了在350mA电流调整点时的负载电流调节与升压电压的效率曲线。在正常的电池电压范围内，工作效率可达到80%以上，但是随着电池电压降低到寿命终点值，效率会降低。另外，图2还说明了有无检测电阻的影响。在输入电压较高时，效率接近95%，而在输入电压较低时，效率将降到80%。曲线的趋势源自两个相关的效应：一是在高输入电压下，输入电流和开关电流较低，因此传导和开关损耗较低；二是与自耦变压器极其类似，升压功率级不处理总输入功率。功率级处理的功率量与升压电压相关，或者与输入电压和白光LED电压之间的压差相关。在此设计中，白光LED的电压大约为8.7V，因此，在8.2V的高压线路上，功率级只处理功率的6%[（8.7-8.2）/8.7]。在电流高得多的低压线路上，功率级要处理8.2V时的4倍功率，即24%的功率。

图2 电路的效率曲线

2、 白光LED的控制电路

白光LED为电流驱动器件，光输出强度由流过LED的电流决定。图3所示的是由电压源和限流电阻构成的一种简单偏置电路，流过白光LED的电流由下式确定：

I_DIODE=（V_CC-V_F）/（R_LIM+R_DS（ON）） （1）

图3 LED偏置电路

这种方式的成本较低，但要求不同二极管的正向电压V_F要一致。图4、图5表示25℃时白光LED的正向电压（典型值）与导通电流的关系曲线。从电流指标可以看出，对于GaAsP白光LED，V_F可以上升到2.7V（+40%）；对于InGaN白光LED，V_F可以上升到4.2V（+20%）。如果系统中需要多只白光LED，如移动电话背板显示器采用8只白光LED，则按照图6的设计方案将需要多个限流电阻，占用较大的线路板面积。

图4 典型GaAsP正向电压与导通电流的对应关系 图5 典型InGaN正向电压与导通电流的对应关系

图 6 利用MAX1910/MAX1912电荷泵实现电流调节的电路

如果将V_CC增大到V_F的10倍以上，可以减少V_F变化的影响，但耗电较多，不符合电池供电产品的需求。对于采用单节锂离子电池供电的系统，锂离子电池电压的变化范围为3~4.2V。如果白光LED的偏置电路只是简单地由锂离子电池和限流电阻组成，输出亮度将会产生明显的变化。合理的方案应该是采用电流偏置电路。

（1） 电流偏置电路

电流偏置电路实际上是用一个电流源为白光LED提供偏置。如果电流源具有足够的动态范围，这种偏置方式将不受V_F变化的影响。图7为电流偏置方案的原理图。该电路将图3中的限流电阻用电流源替代。光输出强度与电源和正向电压无关，只要有足够的电源电压为LED提供偏置即可。在图7中，Q₁为使能控制开关。

图7 电流偏置方案的原理图

MAX1916为专用白光LED驱动集成电路，它提供了一种先进的白光LED电流偏置电路。MAX1916在微型SOT-23封装内集成了三组电流源，流过R_SET的电流镜像到三个输出端，如图8所示。电路中几个相同的MOSFET管具有相同的栅源电源，因此，它们的沟道电流相同，电流的大小由镜像电流I_SET决定。MAX1916的最大电流失配度为±5%，“镜像系数”为200A/A。也就是说，当I_SET为50μA时，每个输出端的电流为10×（1±0.05）mA（最大值）。SET端由内部偏置在1.25V。I_SET由下式决定：

I_SET=（V_CC-1.25V）/R_SET （1）

I_OUT=200I_SET （2）

图8 MAX1916为LED提供的镜像电流

每路电流之间的偏差为±5%。输出端饱和电压为：

V_OUT（SAT）=R_DS×I_OUT （3）

MAX1916的漏源电阻在整个温度范围内保证不高于50Ω。一个工作电流为2mA的GaAsP白光LED保证正常工作所需要的最低电压是V_F+100mV，2.71V的输入电压能够将GaAsP白光LED的工作电压维持在2.7V。为了获得更低的压差和更高的输出电流，可以将MAX1916的三路输出并联构成“镜像系数”为600A/A的电流源，如图9所示。并联后的漏源电阻为50/3=16.67(Ω)（最大值）。这种连接方式允许单只白光LED在3V供电时电流达到20mA以上，满足目前便携式移动电话等产品的背光要求。用于设置端电流的电压源可以由带载能力较强的主电源单独提供，例如在移动电话中，V_SET可以由射频（RF）电路的低噪声+2.8V电源提供。如果直接由单节锂离子电池供电，MAX1916适用于驱动正向电压较低的GaAsP白光LED，而对于正向电压较高的InGaN白光LED，则需采用其他驱动方案。因为由锂离子电池供电时，随着电池的放电，输入电压可能无法满足白光LED所要求的偏置电压。

图9 MAX1916的三路输出并联构成电流源

（2） 用电荷泵升压变换器驱动白光LED的方案

正向电压为8.5~4.2V(在20mA电流下)的白光LED通常需要升压变换器，可以用电荷泵（如MAX682~MAX684）与MAX1916共同构成这种白光LED的驱动电路，如图10所示。MAX682~MAX684能够将2.7V的输入电压转换为5.05V输出，输出电流能够分别达到250mA、100mA和50mA。利用MAX684的关断控制引脚或MAX1916的使能控制引脚可以关闭白光LED。在图10所示电路中，MAX684在关断模式下，电源电流降至22μA；R_SET=43kΩ时，白光LED的电流为22mA。

图10 采用电荷泵升压电路控制三只LED

图11所示的是利用电荷泵构成的白光LED电流控制电路，反馈调节电压的典型值为1.235V， I_pk=1.235/R_SENSE，选用24Ω的检流电阻能够为白光LED提供50mA电流。当电荷泵工作时，输出电压上升至白光LED的开启电压，白光LED开始导通。白光LED的典型正向电压为8.5×（1±0.1）V，加上反馈调节电压，MAX1759的输出端提供的偏置电压为4.735V。该电路输出电压的纹波在40mV以内，不会导致白光LED的输出产生明显变化，通常人眼觉察不到。另外，图11所示电路在关断状态下时输入与输出之间没直流通路。

图11 用电荷泵构成的白光LED电流控制电路

（3） 基于电感变换器的白光LED驱动解决方案

MAX1848将升压变换器与电流控制电路集成在6引脚SOT-23封装内，利用电流检测驱动三组白光LED，每组包括三只串联连接的白光LED，如图12所示。输入电压范围为2.6~5.5V，MAX1848利用电压反馈结构调节流过白光LED的电流，较小的检流电阻（5Ω）有利于降低功耗，保持较高的转换效率。模拟控制器用于控制所有白光LED的亮度。在典型应用电路，L₁=33μH，C_COMP=150nF，C_OUT=1.0μF，R_SENSE=5Ω。白光LED的电流由控制电压确定，I_OUT=V_CTRL/（18.33×R_SENSE）。

图12 用基于电感的电流调节器驱动多只LED

白光LED的亮度可以通过MAX1848的CTRL引脚的D/A变换器调节或电位器分压电路调节，电压控制范围为+250mV~+5.5V，将控制引脚接地可实现关断。负载功率为800mW时，电路转换效率达88%。

MAX1916内部配置三路可调电流源结构，可控制多种LED；直接采用单节锂离子电池供电，可驱动红光、绿光或黄光GaAsP LED；配合电荷泵升压变换器，MAX1916还可用于驱动白光InGaN LED。对于有更高功率要求的应用，需采用基于电感的MAX1848，外部只需要极少的元件，输出功率为800mW时转换效率达88%。

（4） 由MAX1984构成的白光LED驱动电路

MAX1984的主要特点为：采用转换效率高于95%的升压式同步整流DC/DC变换器，并且无需外部肖特基二极管，工作频率为1MHz，可减小电感及电容的尺寸；驱动器总的效率高达90%；可驱动8只白光LED，其电流不匹配最大值为8%；可设定白光LED的最大电流；有三种方式可调节白光LED的亮度；可选择某些白光LED亮、某些不亮；可关闭白光LED控制，在关闭状态下静态电流为0.1A（典型值）；有独特的0.5mAV LED测试模式；内部有过压保护；工作电压范围为2.7~5.5V；有低压锁存功能（2.4V）；采用20管脚小尺寸4mm×4mm QFN封装；工作温度为-40~+85℃。

MAX1984的典型应用电路如图13所示，这是一个驱动8只白光LED的电路。有关能数的计算及组件的选择如下：

图13 MAX1984的典型应用电路

① 亮度调节。白光LED的发光亮度能通过SETI端的电流进行选择（15%~100%）。有三种调节模式：DPWM模式、模拟电压模式及2位或3位并行控制模式。

·最大白光LED电流I_LEDC（FS）的设定。最大白光LED电流I_LEDC（FS）由SETI端来设定，SETI端接IN端时，I_LED（FS）=18mA；SETI端接GND端，白光LED电流为0.5mA。SETI端接电阻R_SETI时，I_LED（FS）与R_SETI阻值的关系为

I_LED（FS）=12+0.75KV_ref/R_SETI (4)

式中：K=3851，V_ref=1.25V。

·DPWM模式调节。将MODE端及BITC端接IN端，BITB端悬空，DPWM信号由BITB端输入。这时白光LED的电流I_LED由下式决定：

I_LED=D×I_LED（FS） （5）

式中：I_LED（FS）是由SETI端设定的电流值；D是DPWM信号的占空比。

平均电压的获得是通过内部的一个RC滤波器实现的，其时间常数为0.1ms，它适用于DPWM频率为10kHz~2MHz的情况。若采用更低的频率，则需要在BITB端外接一个电容_CEXT到地，以增大其时间常数。DPWM的占空比为20%~100%。在DPWM模式下，当D小于5%且BITC端接低电平时，它进入关闭模式。

·模拟电压模式调节。将MODE端、BITA端及BITC端连接到IN端，直流控制电压从BITB端输入，该电压为140mV~0.75V_ref(V_ref=1.25V)。

·3位或2位并行控制模式。在3位并行控制时，MODE端接GND端；在2位并行控制时，MODE端接IN端，BITC端接地。

② 关闭状态控制。在不同的亮度控制模式下，关闭控制方式也不同；在DPWM控制时，若BITA端输入的脉冲信号占空比小于5%（典型值），器件被关闭；在模拟电压控制时，若BITA端及BITB端都是低电平，器件被关闭；在并行控制时，若BITA、BITB、BITC端都是低电平，器件被关闭。

③ 有关组件参数的选择。

·电感器。由于振荡器的工作频率达1MHz，所以有可能采用低剖面高度的贴片式电感器，其电感量为10μH。所采用的电感器的饱和电流应大于内部开关的限制电流(0.65A)，碳性材料要满足1MHz的频率要求，采用有屏蔽的电感器可减少EMI的影响。

·输出电容器。输出电容器用于稳定电路及减小输出纹波电压。该电容容量为4.7μF（或采用两个2.2μF电容并联），可采用贴片式陶瓷电容器，因为它不仅温度稳定性好，而且等效串联电阻（ESR）小，有较小的纹波电压及更高的效率。额定电压取10V。

·输入电容器。输入电容器可减小对电源的峰值电流及减少噪声输入。一般此电容的容量与输出电容的容量相等，或者小于输出电容。此电容器应尽量接近IN端（小于5mm）。

若输入电容器不采用贴片式多层陶瓷电容器，则需要另加一个0.1μF陶瓷电容以滤掉高频噪声。

3、 利用LDO改善白光LED的匹配度

白光LED在各种照明设备中的应用正在稳步增长，如手持产品中的闪光灯、显示器背光光源等。与白炽灯相比，它们提供真正的白光，消耗更低的功耗；与荧光灯相比，它们更易于使用。批量使用时，白光LED的一致性较差，但利用低成本的线性稳压器（LDO）可以改善其匹配度，即使在采用不同白光LED的情况下也可取得一定效果。

选用白光LED最明显的问题是产品的匹配性差。按照白光LED的典型规格，电流20mA时正向电压的最小值为3.0V，典型值为3.5V，最大值为4.0V。显然，稳压源不是合理的解决方案。利用相同的电流驱动每只LED可以获得均匀亮度，但成本很高。在许多应用中只是简单地用一个固定偏置电压和限流电阻驱动白光LED，如图14所示。

图14 用固定偏置电压和限流电阻驱动LED的电路

按照图14设计的电路通常可以得到相当好的亮度匹配，但对于大批量生产的用户，同一批次的产品具有相当一致的特征指标，但批次之间的一致性较差。这就需要对每一批的白光LED进行测试，为其配置限流电阻。如果存在多个白光LED供货商，问题将更加严重。选用了三个厂商的LED（分别用A、B、C表示）按照图14所示电路进行测试，测试参数见表1。标号为A的白光LED选自一级白光LED供货商，标号为B的白光LED选自二级白光LED供货商，标号为C的白光LED是从电子配套市场购买的廉价白光LED。从测试结果看，不同商标的白光LED一致性较差，比标准平均电流偏差3.27mA。

表1 不同厂商白光LED的测试结果（mA）

从表1中的平均值可以看出，不同厂商提供的白光LED的一致性较差，其中A厂商提供的白光LED的吸取电流最大（平均24.6mA），B厂商提供的白光LED的吸取电流最小（平均为18.3mA）。不同厂商的白光LED的电流在采用相同的偏置电压、相同的限流电阻时差别较大，均方根误差为3.27mA。

单独调节每只白光LED的电流或至少对其中一只白光LED的电流进行调节，可以提高不同厂商或同一厂商不同批次白光LED的一致性，但这需要相当昂贵的控制芯片。在对成本要求苛刻的产品中，可以利用低压差线性稳压器（LDO）改善白光LED的一致性，无需选择阻值不同的限流电阻，具体电路如图15所示。在图15中，LDO工作在稳压稳流模式下，根据一只白光LED的正向电压的变化自动调节偏置电压。

图15 MAX8863的典型应用电路

图15所示电路中增加了一个低成本的LDO，得到可自动调节的偏置电压，有效地改善了不同批次、不同厂商生产的白光LED的匹配度。为考核图15所示电路的性能，将上述A、B、C三种白光LED按照图15所示电路进行了测试，测试结果如表2。从表2可以计算出，相同厂商白光LED电流的一致性略有下降，所得结果为0.77mA（图14所得结果为0.54mA），但不同厂商的白光LED电流的一致性得到了较大改善，均方根误差由3.27mA降低至0.96mA。

表2 利用图15所示电路测试三种不同厂商的白光LED的结果(mA)

图15所示电路需选择带有外部电压调节引脚的LDO，如MAX8863，其反馈门限电压为1.25V（V_SET）。选用SOT-23封装的LDO可提高系统的性价比，因为多数SOT-23封装的LDO带有关断控制功能，从而省去了图14所示电路中控制白光LED通断或进行PWM亮度调节的N沟道MOSFET管。另外，LDO还具有较宽的输入电压范围，当与其他电路共用同一个5V电源时可以提供较高的电源抑制比（PSRR）。

图16所示电路是对图15所示电路的改进，适合便携式产品的背光光源要求。MAX8863可以驱动8只白光LED，每只白光LED的电流为15mA。当白光LED的正向电压较低或限流电阻的电流低于15mA时，所允许的输入电压更低，对不同厂商、不同批次的白光LED可提供较好的亮度匹配。

图16 图15所示电路的改进电路

4、 利用工作在降压模式的升压变换器驱动白光LED

用于装饰和建筑照明的低压卤素照明灯具正不断得到普及，但是由于卤素灯泡寿命相对较短、可靠性相对较低，大功率白光LED正在成为更好的选择。图17所示电路提供了一种驱动大功率白光LED的解决方案，即利用工作在“降压”模式的标准升压变换器驱动白光LED。这种解决方案的效率高达96%，与效率只有85%的标准方案相比，它具有很多实际优点。

图17 ZXSC310的典型应用电路

当MOSFET管（Q₁）导通时，电流从输入端流过白光LED、并联滤波电容器（C₂）、电感（L₁）、Q₁及检测电阻（R₁），电流值由检测电阻值和ZXSC310检测电压的阈值（通常为19mV）所决定。

一旦电流达到所设定的相应峰值电流，MOSFET管就关断并保持1.7ms。在这段时间内，储存在电感内的电能通过肖特基二极管转移到白光LED中，从而保持白光LED的亮度。

对输入电压和串联白光LED的数量没有限制。为得到更高的输入电压，必须适当地调整C₁、R₂、VD₁、C₂和Q₁的值以适应电压范围。对于更大数目的白光LED，最小输入电压必须大于串联白光LED的正向电压降。

通过采用降压模式的升压变换器方案，可以用一个低端N沟道MOSFET管替代典型降压变换器中常见的高端P沟道MOSFET管。N沟道MOSFET器件的固有导通损耗是尺寸相同的P沟道MOSFET器件的导通损耗的1/3。当然，在典型的降压变换器电路中也可以使用N沟道MOSFET管，但需要额外的自举电路对它进行驱动。低端开关也可以使峰值检测电流以地为参考，这与高峰电流检测相比，可提高精度并减小噪声。

通过在间断工作模式下采用升压方法，控制回路可工作在电流模式，为变换器提供周期性控制。这使该变换器从根本上保持稳定，与电压模式的降压变换器相比，设计得以简化。

上述方案的另外一个特点是，因为当电感处于充电状态时电流流过白光LED，所以白光LED电流的峰值将减小，这样在相同的白光LED亮度下可将峰值电流设置得更小，从而进一步改善效率、可靠性以及输入噪声性能。