便攜式應(yīng)用的LED驅(qū)動解決方案

March 28, 2019

引言 

　　LED驅(qū)動已迅速成為功率轉(zhuǎn)換技術(shù)日益重要的應(yīng)用領(lǐng)域。除了要求更高效率、更低靜態(tài)電流之外，LED驅(qū)動還有不少更精細的要求，如LED匹配、調(diào)光、白光平衡等等。另外還有一些基本架構(gòu)問題，如LED是串聯(lián)還是并聯(lián)連接、是進行高端還是低端關(guān)段。某些特定的LED實現(xiàn)方案能夠獲得不同程度的效果，比如眾所周知的感應(yīng)式升壓解決方案和電荷泵倍增器。而分數(shù)電荷泵、4開關(guān)降壓-升壓解決方案和多路電感解決方案則被人忽略。后者也被稱為“SIMO”，即單電感多輸出，未來，隨著白光LED背光被更復(fù)雜的RGB同類產(chǎn)品所取代，預(yù)期這種技術(shù)將扮演越來越重要的角色。 

　　LED簡介及工作原理 

　　便攜式產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是逐漸向更多多媒體應(yīng)用轉(zhuǎn)變。這一趨勢要求使用能夠支持數(shù)百萬顏色的、分辨率更高的顯示屏。顯示屏的傳統(tǒng)照明方法是采用真空熒光燈管，但最近廣泛采納的是LED。LED的尺寸小得多，這對便攜式產(chǎn)品非常有利，而且LED的功耗也更小，還遠比真空熒光燈更為可靠。不過，如何保持恒定的光強度和顏色是這一照明技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)。了解白光LED的工作原理有助于了解如何確保其強度和顏色一致。 

　　由于LED是半導(dǎo)體器件，相比其他光源，它具有獨特的特性，其中最顯著的是電流和光強度之間的非線性關(guān)系。圖1顯示一些典型LED的這種關(guān)系。 

　　第二個顯著特性是有關(guān)LED的正向壓降。不同于白熾燈泡，LED并非純粹的電阻式負載。正向壓降隨LED顏色而改變。一般而言，紅光LED的正向電壓為2.2V，綠光LED的正向電壓3.1V。白光LED和藍光LED的正向電壓相同，典型值都是3.3V。 

　　為便攜式設(shè)備中這些LED提供恒定的電壓和電流是一大挑戰(zhàn)。供電電源必須能夠自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)不斷降低的電池電壓，否則光強度會隨電池電壓而變化。因此，這些設(shè)備需要非常特殊的電源。 

　　驅(qū)動器選擇 

　　保持LED電流和電壓恒定的常用架構(gòu)有3種。第一種是針對串聯(lián)LED結(jié)構(gòu)的感應(yīng)式升壓調(diào)節(jié)器。第二種仍是相同的感應(yīng)式升壓調(diào)節(jié)器，但用于并聯(lián)LED結(jié)構(gòu)。最后一種是電容式電荷泵。這些架構(gòu)各有其優(yōu)勢，但對于給定的應(yīng)用，僅有一種能夠提供最大的優(yōu)勢。 

　　感應(yīng)式升壓調(diào)節(jié)器 

　　感應(yīng)式升壓架構(gòu) (比如飛兆半導(dǎo)體的FAN5608) 的基本工作原理是利用電感的電流存儲能力。電感可以阻止電流變化，正負皆然。這種阻抗能力對器件上壓降的影響可以下式表示： 

　　這一簡單的公式表明了升壓轉(zhuǎn)換器的工作原理。晶體管導(dǎo)通，電流開始在電感中流過，然后晶體管關(guān)斷。由于電流無法瞬間降為0，它繼續(xù)流經(jīng)二極管。電流逐漸減小，di/dt變?yōu)樨摚瑢?dǎo)致電感上的電壓為負。 

　　利用克?；舴?(Kirchokff) 電壓定律，可計算出輸出電壓。 

　　這里D代表ON占空比。由于D的范圍在0到1之間，故輸出電壓總是比輸入電壓高。輸出電壓與占空比成正比，因此，為了產(chǎn)生更高的電壓，必須提高占空比。FAN5608利用這種方法可使最大輸出高達18V。這樣一來，可驅(qū)動多達4到5個串聯(lián)LED。對并聯(lián)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)AN5608能夠產(chǎn)生高達40mA的電流。 

　　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(guān)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(diào)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(dǎo)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(yīng)式升壓轉(zhuǎn)換器，LED能夠被串聯(lián)驅(qū)動或并聯(lián)驅(qū)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(qū)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器不需要把電壓提升到太高(如3.3V)就可驅(qū)動并聯(lián)陣列，但并聯(lián)拓撲需要對每一個LED進行電流調(diào)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(fù)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(qū)動并聯(lián)陣列，因為輸出電壓與充電電容的數(shù)量有關(guān)。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(shè)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(yīng)式升壓調(diào)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(qū)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(dāng)?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(diào)節(jié)器，故在計算電池功耗時，必須考慮到這種影響。 

　　調(diào)光方法 

　　調(diào)光有利于改變照明光強度以實現(xiàn)功耗目標(biāo)或美學(xué)價值。LED調(diào)光有兩種常用方法。第一種是簡單地調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)和脈沖寬度調(diào)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(zhì)涂層的藍光LED而已。磷光質(zhì)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(jié)溫變化而變化。采用線性電流調(diào)節(jié)的調(diào)光方法會讓白光LED偏黃色，因為磷光質(zhì)在電流減小時更有效。采用脈沖寬度調(diào)制的調(diào)光方法則會使LED偏藍色，因為磷光質(zhì)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(diào)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(diào)節(jié)電流。兩款器件都能夠產(chǎn)生脈沖來導(dǎo)通或關(guān)斷輸出。 理想的調(diào)光方法是結(jié)合上述兩種方法，把色差減至最小。 

　　結(jié)語 

　　LED是高效的便攜式設(shè)備顯示屏照明方法。由于它們采用半導(dǎo)體技術(shù)，故需要獨特的調(diào)節(jié)手段。電荷泵和感應(yīng)式升壓調(diào)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(yīng)該針對特定應(yīng)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(dāng)?shù)尿?qū)動器。另一個重要因素是調(diào)光方法。脈沖寬度調(diào)制和線性調(diào)節(jié)的結(jié)合可提供穩(wěn)定的調(diào)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(yīng)該針對相關(guān)應(yīng)用量身定做，以最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢。

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