白光LED驱动器

白光LED驱动器

1、 白光LED驱动器的要求

驱动器可以看作是向白光LED供电的特殊电源，可以驱动正向压降为3.0~4.3V的白光LED，并根据需要驱动串联、并联或串并联的多个白光LED，满足驱动电流的要求。对驱动器的主要要求如下：

① 为满足便携式产品的低电压供电，驱动器应有升降压功能，以满足1~3节充电电池或1节锂离子电池供电的要求，并要求工作到电池终止放电电压为止。

② 驱动器应有高的功率转换效率，以提高电池的寿命或两次充电之间的时间间隔。目前高的可达80%~90%，一般可达到60%~80%。

③ 在多个白光LED并联使用时，要求各白光LED的电流相匹配，使亮度均匀。

④ 功耗低，静态电流小，并且有关闭控制功能，在关闭状态时一般静态电流应小于1μA。

⑤ 白光LED的最大电流I_LED可设定，使用过程中可调节白光LED的亮度（亮度调节）。

⑥ 有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护。

⑦ 小尺寸封装，并要求外围组件少而小，使所占印制板面积小。

⑧ 对其他电路的干扰影响小。

⑨ 使用方便，价位低。

2、 驱动器的分类

从供电电压的高低可以将驱动器分成三类：由电池供电，电压一般低于5V，主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率白光LED，它主要采用升压式DC/DC变换器或升压式（或升降压式）电荷泵变换器，少数采用LDO电路的驱动器；大于5V供电，如6V、9V、12V、24V（或更高），由稳压电源或蓄电池供电，它主要用降压式可升降压式DC/DC变换器；直接由市电（110V或220V）或相应的高压直流电（如40~400V）供电，主要用于驱动大功率白光LED，采用降压式DC/DC变换器驱动电路。

过去认为有电感的升压式DC/DC变换器可输出较大的电流。近年来，电荷泵式驱动器可输出的电流已从几百毫安上升到1.2A，并且两者在转换效率上也不相上下。对于采用LDO电路的驱动器，无需外围组件及价位低是它的优点，其缺点是转换效率略低，并且电池往往不能用到终止放电电压就要充电。这种驱动器主要用于1节锂离子电池的场合，并需用正向电压低的白光LED。可以用作白光LED驱动电源的集成器件品种较多，大致分为恒流源、电荷泵和开关电源三种类型。

（1） 恒流源

绝大多数LCD背景照明装置都配有亮度控制器以便使用中根据环境光线的强弱进行相应调节。由于LED的光子发射源于电子、空穴对的复合，故其发射速率以及发光强度均与LED的正向电流成比例。为此，可控恒流源应是实现亮度控制最简单的方案。但因白光LED的“色温”也与工作电流直接有关，这类控制方案会使光源在整个亮度调节范围内的颜色一致性变得很差，故而仅能用于按钮照明之类对于颜色保真度要求很低的场合。LCD背光装置则大多采用PWM电源为LED供电，以避免这一“色偏”问题。

从实用的角度来看，对于电源电压较高的车载设备，由于多个白光LED可以串联使用，所以采用配有脉宽调制器的集电极开路（OC）或电流镜输出级即可构成简单的LED驱动器。

在电源电压较为有限的应用场合，多个白光LED只能以并联方式工作。此时，按照传统的设计方法，通常需为每只白光LED配备独立的限流电阻，借以克服白光LED正向压降一致性差以及不可直接并联工作的弊端。不过目前多已改用集成恒流源为白光LED供电，可以消除电源电压变动所造成的不利影响。MAX1916和LX1190是两种较为常见的恒流源集成电路。

（2） 电荷泵

白光LED的正向压降可以高达4V，但是目前的大量手持电子设备多以单一锂电池供电，此时已经无法再由设备电源直接驱动白光LED而必须借助于各类电源变换器件。可以用作白光LED驱动器的电源变换器件包括不少种类，其中应以电压输出型电荷泵电路最为简单。此类典型的器件有LM3354型开关电容变换器，其电源电压范围为2.5~5.5V，输出电压有一系列标称值可供选择，用作白光LED驱动器时应选择4.1V标称输出电压。LM3354的开关工作频率为1MHz，故而可以采用较小的开关电容器。LM3354的最大输出电流为90mA，带有片内过热保护电路，静态电流与关断状态电流分别为475μA和5μA。控制白光LED亮度的脉宽调制信号可由器件的判断控制（SD）端送入，其重复频率应在60Hz以上，以免LED产生闪烁现象；但也不宜超过200Hz，以保证开关电容器具有足够的放电时间。

白光LED以恒流源供电有利于抑制电源电压变动所造成的不利影响，目前也确有不少电流输出型电荷泵电路可供选用。LTC3200的反馈阈值电压则可由“引脚编程”方式设定为200mV、400mV或600mV(第四种编程组态为“关断”)，若以PWM信号令其间歇进入关断状态，便可平滑调节白光LED的亮度而不致产生明显的“色偏”。LTC3200的工作频率为1.5MHz，电源电压为2.7~4.5V时，最大输出电流为125mA，可以同时驱动八只白光LED。LTC3200-5电压输出型电荷泵集成器件与LM3354的结构相似，但体积较为小巧，而且仅需一个开关电容；工作电压为3~4.4V，工作频率为2MHz，输出电流可达100mA；唯其5V额定输出电压偏高，因而限流电阻的压降亦偏大，对整体电源变换频率有一定的影响。

SC600电压输出型电荷泵集成器件包括4~4.5V/120mA与4.5~5V/60mA多种输出规格，电源电压范围为2.7~6.5V，利用“引脚编程”方式切换工作频率，在8~650kHz范围内共分四挡，由此可以调整输出电流。其最大的特色在于电源电压超过某个阈值时会自动切换内部电路结构以取得更高的电源变换频率。该阈值具有80mV的“回差”，以防切换过于频繁而造成较大的输出纹波。

电流输出型电荷泵LM2794以电流镜作为输出级，因而可以省去限流电阻，但会增加器件的功耗。LM2794具有四路电流输出，每路为20mA。若欲调整白光LED的亮度，仍可在其关断控制端加入脉宽调制信号，也可采用引入外部电流的方式改变其反馈阈值。该器件的电源电压范围为2.7~5.5V，电压超过4.7V时会自动切换内部电路，改以“直通”方式工作。该切换阈值也有250mV左右的回差以防输出纹波恶化。值得一提的是，该器件的外形尺寸仅为2mm×2.4mm×0.84mm，是同类器件中体积最小的。

S8813与LM2794的结构相近，但恒流原理属脉冲频率调制型。这种恒流方式对于变换效率的提高有些好处，但有一定的开关噪声。该器件的典型工作频率约为600kHz，具有三路电流输出，每路为5~18mA。

（3） 开关电源

电荷泵是以电容器作为储能元件，但以升压式开关电源作为白光LED驱动器的应用也较为广泛。事实上，以电感器作为储能元件的电感升压式开关换器，在电压提升的效能方面优于电荷泵式变换器。用作白光LED驱动器的电感升压式开关变换器多为电流输出型。

目前，小功率集成电感升压式开关变换器多带有作为功率开关的片内N沟道MOSFET管，但是储能电感通常仍需外接。MAX1848的开关频率为1.2MHz，以2.6~5.5V电源电压工作时，最高输出电压可达13V，足以驱动2~3只串联的白光LED。MAX1848还可同时驱动三路并联负载，每路负载包括两个串联的白光LED。此应用需要配用三个采样电阻，各路负载的电流匹配情况不令人满意。

LT1937电感升压式开关变换器片内功率开关的耐压值高达36V，可以驱动六只白光LED串联组成的单路负载。采样电阻压降约为100mV，通过调整采样电阻的阻值可将输出电流设定为5~20mA。白光LED的亮度调整仍可采用在反馈节点引入外加控制电流可将脉宽调制信号送入关断控制端这两种方法。

属于电感升压式开关变换器的器件还有LM2704和LX1993，LM2704可以在2.2~7V电压范围内工作，最高输出电压为20V，输出电流为20mA，可驱动两路共计八只白光LED。LM2704的特点在于片内功率开关峰值电流可达0.5A，导通电阻仅为0.7Ω，故而电源变换效率较高，同时易于解决小型封装器件的散热问题。LX1993能以20mA的输出电流驱动单路四只白光LED，其优点在于电源电压可以低至1.6V。

无论是车载、便携还是手持电子设备的设计，电源效率都是一个不可忽视的重要问题。然而，对于白光LED驱动电路来说，各类集成器件变效率的比较看来并不是那么简单。按照常规，器件生产厂商提供的电源变换效率指标均定义为输出电功率与输入电功率之比，但是白光LED的正向压降往往相差数百毫伏之多，足以影响其实际消耗功率在驱动器件输出总功率中所占的比例，即白光LED驱动电路中消耗于限流电阻或电流镜输出管压降之类的无用功率对于实际的电源变换效率往往具有很大影响，采用不同电路结构形式的驱动器件尤为显著。而测定白光LED工作于特定正向电流时的电源输入功率，才是比较驱动电路变换效率的可靠方法。采用多只白光LED串联使用的方案有利于提高驱动电路的整体效率，但在实际应用时这一方法将会受到以下两方面的限制：

① 驱动电路的最高输出电压通常较为有限值，所以同一支路中白光LED的串联个数不可能太多。

② 目前白光LED产品的一致性并不令人满意，同一支路中通常须用同一厂商同一生产批次的白光LED，才能基本保证整个照明面积具有足够均匀的照度。

目前提高驱动电路变换效率的余地可以说已经相当有限，然而从白光LED本身的发光效率看来却还大有潜力。所谓的白光LED，其实是利用一种紫蓝光LED所发出的短波长紫蓝光激发涂布于输出光学透镜内壁的荧光材料，进而产生波谱较宽的白色复合光。由此可见，白光LED的紫蓝光管芯、荧光材料乃至光学透镜均可影响其发光效率。近年白光LED生产厂商研发的新一代NSCW215系统产品的发光效率较上一代整整提高了50%。另外，在大功率白光LED的开发方面亦有所进展，目前已经研制成功正向电流达到数百毫安的LED，在作为交通信号等适应白昼使用的照明指示光源方面颇有竞争力。

鉴于白光LED在LCD背景照明领域的应用前景，已有相关的组件产品投入市场。如MTG-F2406FMNHSGW液晶显示器组件（WTS）、采用240×64像素的液晶显示屏和T6963C型显示控制器（东芝）均以白光LED作为背景光源。若再配上电源变换器（可选件），整个组件便可以5V单电源供电。液晶屏有效显示面积为132×39mm²，点距为0.51mm。

最近几年便携式电子产品大多改用正向电压为3.6V（20mA）的白光LED作为背光照明单元。以移动电话为例，它使用了3~4只白光LED，然而一般锂离子电池放电时的电压经常低于3.6V，为了符合白光LED 3.6V正向电压的需求，必须借助于升压电路才能获得预期的效果。也就是说，白光LED驱动器必须具备以下功能：即使电池的输出电压下降，驱动器也能够为白光LED提供充足的正向电压V_F。

第一代白光LED驱动器采用限流电阻进行电流匹配，以补偿正向电压的差异，从而保证白光LED亮度的一致性。然而，最新研制的白光LED驱动器不会受供电电压的影响而保证恒定的亮度。提升并调节电池电压的驱动器可以是开环或闭环控制器、电荷泵，或带有电压或电流输出功能的电感变换器。

在大多数应用中，白光LED通过并联或串联方式连接在一起，但在个别情况下也可采用混合的串、并联配置方式。对LED进行连接时采用串联、并联或混联的方式联决于应用的需要，每种配置方案都有本身的优点和不足之处。

① 串联。白光LED具有类似普通二极管的正向电压和电流特性。由于白光LED的亮度几乎完全由电流控制，因此，只要使用相同或匹配的电流，两只白光LED即可获得相同的亮度，而无需考虑其正向电压的差异。采用串联方式连接可保证其电流相同，因此所有白光LED的亮度都是一致的。

② 并联。大多数并联白光LED都采用恒压或恒流白光LED驱动器，而驱动器的采用取决于具体的应用要求。在恒压拓扑中驱动并联白光LED非常简单，驱动器可以是开环电压输出的开关式DC/DC稳压变换器。每只白光LED都有一个串行连接的限流电阻，用来设置电流值并匹配各只白光LED之间的电流。采用具有高限流电阻值的恒压驱动器，可以获得良好的电流匹配，但其负面作用是影响效率。相反，较低的限流电阻值将提供较高的效率，但白光LED的电流（亮度）匹配效果较差。

第一代恒流驱动器是带有整流功能的电荷泵，这些器件使用限流电阻来检测白光LED电流。利用检测到的电流来调节第一只白光LED的正向工作电流，余下白光LED的限流电阻的电流会与第一只白光LED的电流进行匹配。由于白光LED之间的正向电压各不相同，因此电流匹配的精度非常有限。需要精确电流匹配的应用（如彩色LCD显示等），可以使用内部匹配恒流LED驱动器。这些驱动器可在白光LED之间提供精确的电流匹配，而无需考虑其正向电压。

白光LED需要的正向电压相对较高。最新的技术趋势是将白光LED的正向电压降低至3V以下。因单个锂离子电池的电压范围为2.7~4.2V，其标称电压值为3.6V，如果白光LED的正向电压低于3V，电池即可直接驱动白光LED电路（无需升压），从而减少部件数量和降低成本。

与传统白光LED驱动器不同，如今的白光LED驱动器采用了主动匹配技术，为实现白光LED亮度恒定，由内置的数字、模拟和PWM控制单元对白光LED的亮度进行调节。飞兆半导体最新的FAN5608系列LED驱动器整合了所有的亮度控制方式（数字、模拟、PWM），并支持特殊配置方案，容许两个恒流源驱动多个白光LED串，每串LED都具有独立的亮度控制，可以在两个白光LED串上连接4只串联白光LED，从而满足驱动8只白光LED的要求。

3、 白光LED的驱动特性

图1给出了一般穿透式彩色液晶显示器的结构。如图1可知，LCD面板下方设有白光LED照明单元，白光LED产生的光线经由导光板的反射后均匀扩散并射入LCD面板内。

如图2所示，传统背光照明单元的白光LED是并联驱动的，白光LED的亮度取决于电阻的阻抗值。然而白光LED的电压V_F本身具有不同的波动范围，因此相同的电阻会使白光LED的亮度产生分布不均现象。

因电压波动引起白光LED的亮度不相同时，背光照明单元的光线就会有照明不均问题。虽然使用电气特性相同的白光LED可以改善亮度不均问题，但实际上无法获得电气性能完全相同的白光LED。应根据各白光LED的电气特性，逐一调整负载电阻的阻抗值，但事实上这种方式并非解决问题的对策。为了使流入白光LED的电流完全相同，将并联方式改成图3所示的串联方式，即使白光LED的电压具有不同的波动值，由于流入各白光LED的电流I_LED相同，因此各白光LED产生的亮度几乎一致。

每只白光LED最少需施加3.6V以上的驱动电压才能获得预期的亮度。如图3可知，当多只白光LED串联连接时，必须等比例提高驱动电压。图4所示是利用开关变换器NJM2360构成的白光LED驱动电路，该电路的基准电压V_REF为1.25V，施加于V_IN端子。此方式中电阻R_L的阻抗值决定了影响白光LED亮度的各LED的电流I_LED，I_LED可由下式求得：

（1）

假设各LED的电流I_LED为15mA，R_L约为830Ω，三只3.6V的白光LED串联连接时，LED的整体的驱动电压V_LED为

V_LED=V_REF+NV_F=1.25+3×3.6=12.05(V)

式中：N为并联连接的白光LED的数量。

白光LED点亮时需要15mA的电流I_F，不过周围环境很暗时，往往不需作全开驱动，此时可控制驱动电流而改变白光LED的亮度，进而降低白光LED的耗电量。这对使用电池的便携电子产品而，是非常重要的节能技术。有关驱动电流控制技术常用的方法是利用PWM信号进行控制，由于PWM信号可使开关变换器开/关，因此它可使白光LED的亮度稳定化，同时还可以确保电池长时间的动作特性。由图5可知，周围环境温度一旦超过50℃，白光LED的允许正向电流会大幅降低，在此情况下如果施加大电流，很容易造成白光LED老化。为了减缓白光LED的老化速度，所以必须根据周围温度调整基准电压V_ref，减少电流的供给。

白光LED驱动电路的特点是：

① 白光LED的正向电压V_F非常高。

② 白光LED的正向电压V_F本身具有一定的波动范围。

③ 全开工作时会使白光LED的耗电量增加。

④ 电源电压变动会影响白光LED的亮度。

为了使白光LED能稳定地工作，且不受电压V_F波动以及电源电压波动的影响，所以必须使用专门为驱动白光LED而设计的DC/DC变换器。