多種手持設備中白光LED驅動的特征與選擇

摘要:隨著高亮度/高功率白光LED的實用化，LED的應用范圍越來越廣泛，它是最被看好的LED新產品，在照明市場上的發展潛力很大。功率可達數瓦的高功率白光LED與傳統的白熾燈泡及熒光燈相比，具有體積小、耗電量少、發熱量低、使用壽命長及環保等優點，使之在日常生活和工業領域中開始替代傳統照明光源，成為照明燈的新秀。而高亮度白光LED應用目前以手機、PDA、數碼相機為主，手機與PDA的彩屏液晶顯示屏的背光源以及照像功能手機上配備的閃光燈都在使用白光LED。為此，本文對手持設備用白光LED驅動器的種類、特點、使用范圍等進行了較系統的綜合、分析、對比。

關鍵詞：白光LED 驅動器 降壓/升壓變壓器 電荷泵 電流調節器

單波長的LED不能發白光，白光至少是由兩種波長光或三種波長光相混合的結果。目前最常見的發光模式是在藍光LED之InGaN材料的晶片上加上受藍光照射產生與藍光互補的555nm波長的黃色熒光材料（YAG黃色熒光粉），再利用透鏡原理將黃、藍光混合，視覺上產生白光效果。另一種是無機紫外光晶片加紅、綠、藍三色熒光粉的三波長光模式。

1 LED特性與驅動

1.1 標準紅、綠LED特性

標準的紅、綠LED所產生的色彩（發射波長）在正向電流、正向電壓或環境溫度發生變化時保持相當的穩定性。標準綠光LED發射波長約為565nm，離散值在95nm以內。由于色差非常小，多個LED并聯驅動時，正向電壓的正常變化引起的光強差異很小，同一廠商同批次的產品可以忽略這種差異。標準紅、綠LED的正向導通電壓在1.4v至2.6v之間，正向電流到達10mA時，正向電壓的變化量紅光LED為200mv左右，其它LED為400mv左右。因此，只要供電電壓高于LED正向電壓的最大值，不需要升壓變換器或復雜的電流源。

1.2 高亮白光LED特性

基于InGaN技術的高亮LED的特性比標準紅、綠光LED要復雜得多。首先，正向電流變化會引起InGaN的主波長（色彩）變化，圖1是某白光LED不同正向電流下的色度特性，圖中x、y為色坐標值，x、y值的改變意味著色彩的改變。因此，若由電池直接供電時，電池放電過程中，LED正向電壓隨之改變，隨之而來的正向電流變化會引起色彩變化。而白光LED常用作手機、PAD等彩色液晶顯示器的背光源，為了使色彩盡量接近原物色，背景光需要白色光，因此，對白光LED工作電流控制提出了很高的要求。

白光LED正向電壓比標準紅、綠LED要高，離散性也大，不同廠商的產品有不同的標稱值，典型值為3.3v~3.6v，其離散分布區間在3v~4v之間，顯然鋰電池難于直接驅動白光LED。

1.3 高功率白光LED

高功率LED正向電流在100mA以上，例如東芝的TL10w02-D電流達到500mA，但其正向電壓依然是3.5v左右，因此，電壓變化引起的電流變化量比普通LED要大得多，大電流更容易引起結溫升高，隨著結溫升高，給出同一電流的正向電壓值減小，如果采用電壓源驅動的話，勢必會使正向電流進一步增加，最終導致器件性能劣化甚至損壞，高功率LED這一影響比高亮LED更為嚴重。使用高功率LED要進行散熱設計，正確選擇散熱片。

綜上所述，白光LED只有通過恒流驅動才能使得LED間的亮度與色彩匹配得到最佳控制，只有恒流驅動才能控制LED正向電流工作在周圍溫度——容許電流特性曲線的安全范圍內，保證器件工作的可靠性。

2 白光LED驅動電路

白光LED驅動電路集成化芯片很多，按用途分有照明用和彩色液晶背光用驅動器，包括高功率LED驅動器（如LTC3214、LTC3216）和高亮度LED的驅動器；LED的連接方式有并聯、串聯和串/并聯三種，并聯驅動和串聯驅動都有相應的專用芯片。

2.1 串聯驅動與并聯驅動

串聯驅動的優點在于保證了個LED間的亮度匹配，LED電流控制特性好，只使用一個鎮流電阻，效率高，它易于用電感型變換器實現。由于LED與驅動電路間只有兩個連接點，兩者之間配置靈活性高。并聯驅動的優點是適于用開關電容升壓器實現，但效率比串聯方式低，需要基準電流源保證良好的匹配，要對每個LED單獨進行電路調整。

2.2 三種并聯驅動電路方案

根據不同的用途，圖2給出了三種并聯驅動電路實現電流匹配的原理框圖。圖2（a）為通用電壓源加鎮流電阻的LED并聯驅動方案。LED是電流驅動器件，正向電流決定發光亮度，雖然調節R1、R2、R3，可以使三個LED正向電流一致，當電源電壓Vout變化時，LED正向電壓—電流特性的離散性，會導致電流的改變不同，很難保持亮度匹配。另外，鎮流電阻的功耗，影響了效率。

圖2（b）用內部集成的電流鏡像電阻取代了外加鎮流電阻，或用線性電流調節器對LED進行恒流驅動，使亮度輸出不受電源和正向電壓變動的影響，LED電流匹配效果好。

圖2（c）只對一路LED提供電流調節，而其它LED還要靠D2、D3與D1正向電壓—電流特性的一致性及鎮流電阻來保持電流匹配，i2，i3仍然會存在一致性誤差，美信公司的MAX1910屬于這一類芯片，利用該方案可以實現同一制造商同批次LED間的良好匹配。其缺點是鎮流電阻依然存在，降低了效率。該電路還有一些改進接法，如可用它調節所有LED的平均電流。

2.3 開關電容降/升壓并聯驅動與電感升壓串聯驅動

開關型DC-DC變換器體積小、效率高，是LED驅動電源的首選方案。傳統的開關型DC-DC變換器是為各種負載電流提供穩定電壓的，而LED則要求恒流驅動。用傳統的開關型DC-DC獲得恒流輸出，需要增加運算放大器等附加電路，滿足不了對空間位置和功耗限制較為苛刻的手機、PDA等手持移動設備的需要。于是，針對電池供電手持設備的需要，開發出了基于電感儲能恒流輸出的DC-DC和基于開關電容儲能的電荷泵降/升壓變換器，并實現恒流輸出。

2.4 電感升壓串聯LED驅動

電感升壓LED驅動器屬于升壓DC-DC變換器，但它控制輸出電流而不是輸出電壓。

本文綜述了基于電池供電的手持式設備中白光LED驅動的電路的種類和特點。使用白光LED時，為了降低功耗，保證工作穩定可靠，驅動電路是很關鍵的，應能從種類繁多的成品驅動芯片中正確選擇滿足自己需求的產品。