常用LED驅動方案（下）

April 16, 2019

電容式電荷泵

 

電荷泵利用電容來存儲能量，可以把輸入電壓提升到1、1.5或 2倍。通過一個開關陣列和一個時鐘，電容可以交替性地進行并聯(lián)充電和串聯(lián)放電，從而提高輸出電壓。圖2可以很好地解釋這一原理。 

 

該調節(jié)器的最大輸出電壓取決于電容的數(shù)量和分配給充電及放電的時間。飛兆半導體的FAN5607使用了兩個電容，有1×、1.5×和2×三種模式。在2.4V 到 5.5V的輸入電壓范圍上，該器件能夠為4個白光LED的每一個提供高達30mA的電流。 

 

LED拓撲

 

利用感應式升壓轉換器，LED能夠被串聯(lián)驅動或并聯(lián)驅動。串聯(lián)陣列可確保通過所有LED 的電流都相同，從而保證相同的光強度。這種方案的缺點是，驅動器的輸出電壓必需等于或超過所有LED的正向電壓總和。在某些應用中，這就可能高達24V，于是需要采用擊穿電壓超過24V的硅工藝，這一般會增加器件的成本。其次，升壓轉換器的效率也隨輸出電壓的增加而受到影響。表1所示為讓4個白光LED產(chǎn)生相同的光量，三種不同拓撲所需功率之比較。如果對效率的要求比較高，串聯(lián)拓撲并不是好的選擇。 

 

盡管轉換器不需要把電壓提升到太高(如3.3V)就可驅動并聯(lián)陣列，但并聯(lián)拓撲需要對每一個LED進行電流調節(jié)。由于LED的光強度隨電流而變化，所有LED中的電流需要匹配，以保持每一個LED的光強度穩(wěn)定。這增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。并聯(lián)拓撲的優(yōu)勢在于效率高，從表1數(shù)據(jù)可看出，F(xiàn)AN5608在并聯(lián)模式下的的效率比串聯(lián)模式下略高。 

 

電荷泵主要用于驅動并聯(lián)陣列，因為輸出電壓與充電電容的數(shù)量有關。電荷泵有一些優(yōu)點，它們一般只需要較小的板空間，因為電容可以小至0402封裝大小。這是一個很顯著的優(yōu)勢，尤其是在終端產(chǎn)品為便攜式設備時。對便攜式無線電產(chǎn)品而言，還有一個好處是產(chǎn)生的EMI更少。即使使用屏蔽電感，感應式升壓調節(jié)器產(chǎn)生的EMI噪聲也超過了普通電荷泵的。這可是手機等便攜式接收器的一個重要考慮事項。FAN5607產(chǎn)生的EMI噪聲極少，這使它非常適合于驅動手機顯示屏中的白光LED。不過，若對板空間和EMI的要求都不太嚴苛的話，電荷泵可能就不是適當?shù)慕鉀Q方案。因為，對這種方案來說，要減小尺寸，就得犧牲效率。電荷泵不是最高效的升壓調節(jié)器，故在計算電池功耗時，必須考慮到這種影響。 

 

調光方法

 

調光有利于改變照明光強度以實現(xiàn)功耗目標或美學價值。LED調光有兩種常用方法。第一種是簡單地調節(jié)電流，電流的微小變化引起LED強度的微小變化，這個過程非常易于控制。第二種方法是利用脈沖寬度調制時鐘來改變LED的ON占空比，通過LED的平均電流隨占空比的減小而降低。這種方法的主要考慮事項是時鐘頻率，必須足夠高至感覺不到閃爍。一般需要達到1kHz或更高。線性調節(jié)和脈沖寬度調制都對白光LED的顏色有影響，但作用相反。 

 

絕大多數(shù)白光LED都只是帶磷光質涂層的藍光LED而已。磷光質中的電子被短波長光激發(fā)，發(fā)出白光。白光LED的顏光或色度將隨光振幅、峰值波長或頻譜形狀的變化而變化。而上述因素又將隨結溫變化而變化。采用線性電流調節(jié)的調光方法會讓白光LED偏黃色，因為磷光質在電流減小時更有效。采用脈沖寬度調制的調光方法則會使LED偏藍色，因為磷光質作用變小。這種影響緣于峰值波長向更短的波長移動。 

 

FAN5607 和 FAN5608都考慮到了上述任一種調光方法的實現(xiàn)。這兩款器件都帶有可變模擬輸入，可線性調節(jié)電流。兩款器件都能夠產(chǎn)生脈沖來導通或關斷輸出。 理想的調光方法是結合上述兩種方法，把色差減至最小。 

 

結語

 

LED是高效的便攜式設備顯示屏照明方法。由于它們采用半導體技術，故需要獨特的調節(jié)手段。電荷泵和感應式升壓調節(jié)器可提供最好的電源解決方案，不過它們各有其優(yōu)勢，應該針對特定應用具體考慮。效率、最小EMI輻射、更小尺寸的重要性都表明必需選用適當?shù)尿寗悠?。另一個重要因素是調光方法。脈沖寬度調制和線性調節(jié)的結合可提供穩(wěn)定的調光方法，同時盡可能地減少色差。確保LED提供恒定光不是什么挑戰(zhàn)，但解決方案應該針對相關應用量身定做，以最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢。

 

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