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白光LED的并联和串联驱动

白光LED被普遍用作便携式设备LCD的背光光源,原因是它们的复杂程度低、成本低且尺寸小于CCFL背光光源。PDA、移动电话和数码相机等便携式设备已逐步过渡到彩色LCD显示屏,因此,越来越多的产品需要背光光源。白光LED已成为一种通用的照明光源。单色显示器可以使用电致发光背光灯或彩色LED作为背光光源,而彩色显示器则需要白光灯源,以正确显示色彩。目前提供白光灯源的方法主要有两种:白光LED和CCFL。CCFL在笔记本电脑中已经应用了很多年,但是考虑到光源尺寸、复杂性及成本优势,白光LED成为小型手持设备的首选光源。

白光LED只需较低的直流电压(3~4V),因此,可以采用简单的基于电感或电容的电路供电。相反,CCFL则需要很高的交流电压(有效值为200~500V),成本高、体积小,需采用基于变压器的电路。红光和绿光LED的正向压降为1.8~2,4V(典型值),一些常用电池即可提供足够高的电压,直接驱动这些LED。然而,白光LED的正向压降为3~4V(典型值),通常需要一个独立电源供电。光强与流过白光LED的电流有关,电流越大光强越高,满亮度输出时电流大约为20mA。数码相机和移动电话一般需要2~3只白光LED作为背光光源,PDA一般需要3~6只白光LED作为背光光源。可以通过并联或串联方式驱动白光LED。并联方式的缺点是白光LED的电流及亮度不能自动匹配。串联方向可保持固有的匹配特性,但需要更高的供电电压。

无论是并联方式还是串联方式,大多数手持设备的电池电压都不足以驱动白光LED,所以需要升压式变换器。电荷泵式变换器利用小电容实现电压转换,尺寸最小,成本最低。但是,电荷泵式变换器只能产生输入电压倍数的电压(如1.5×模式、2×模式)。因此,串联白光LED通常需要基于电感的变换器。利用基于电感的变换器,可实现更高的升压比,而且能够在较宽的输入至输出电压范围内保持高效。

在绝大多数应用中,单只白光LED是不够的,需要同时驱动几只白光LED。因此,必须采用具有亮度控制电路的驱动器,以确保它们的强度和色彩一致,即使是在电池放电或其他条件变化时,也能保证各白光LED的发光亮度一致。

在LED上加载3.3V电压时会产生2~5mA的正向电流,导致发出不同亮度的白光。变化很剧烈,会导致显示色彩的不真实。同样,白光LED也具有不同的光强,这会产生不均匀的亮度。另外一个问题是所需的最小供电电压,白光LED要求用高于3V的电压驱动,若低于该电压,几只白光LED可能会完全变暗。

1、驱动并联白光LED

锂离子电池在完全充满电时可以提供4.2V的输出电压,但在很短的一段工作时间内就会下降到标称的3.5V。由于电池放电,其输出电压会进一步下降到3.0V。如果白光LED直接由电池驱动,则会产生如下问题。
首先,当电池充满电时,所有的二极管都被点亮,但会具有不同的光强和色彩。当电池电压下降至其标称电压时,光强减弱,并且白光间的差异变得更大。因此,设计中必须考虑电池电压和二极管正向电压的数值,而且需要计算串联电阻的阻值。随着电池彻底放电,部分白光LED将会完全熄灭。图2所示是驱动并联白光LED的三种电路,其采用的驱动并联白光LED的方法是:
①利用现有电源独立调节流过每只白光LED的电流。
②只调节电源电压,依靠白光LED的一致性和串联电阻使电流匹配。
③调节流过其中一只白光LED的电流,依靠白光LED的一致性和串联电阻使其余的白光LED电流匹配。
不同白光LED的电流—电压特性之间有相当大的差异,甚至是从同一产品批次中随机挑选的几只白光LED也是如此。因此,用恒定的3.3V电压驱动这样几只并联的白光LED会导致不同亮度的白光
 

(1) 独立调节流过每只白光LED的电流
若有一个足够高的电压来驱动白光LED正向导通,那么,只需设计电流控制电路,即可提供足够的电流驱动满亮度下的所有白光LED。
利用MAX1916以恒定电流驱动三只白光LED的电路,是白光LED亮度匹配的低成本解决方案。假设电流设置在所要求的白光LED最大亮度电流与最大额定电流之间,为了保持显示器亮度一致,电流匹配必须有较好的匹配度。典型的电流匹配度为0.3%,设定电流精度为±10%。每路输出的压差小于410mV,以保持20mA电流。这样,只需4.2V电压即可驱动3.8V的LED。白光LED的引脚电流设为流入SET引脚电流的230倍。为给SET引脚提供偏置电流,把电阻RSET连接到SET引脚,利用大于1.215V的电压为SET引脚提供偏置电压。MAX1916采用SOT-23封装,提供0.3%的电流匹配度。电路有多种动态调节白光LED亮度的方法。
方法一:用D/A变换器驱动RSET。白光LED电流是D/A变换器输出电压减去SET引脚偏置电压的函数。D/A变换器可以选用SOT-23封装的低成本集成电路MAX5360~MAX5365。
方法二:利用控制器的I/O引脚控制多个电阻,可组成一个简易的亮度调节器。将控制引脚在高态(ON)和低态(OFF)之间切换,以得到所要求的SET引脚电流。
方法三:利用逻辑电平PWM信号驱动EN引脚。许多处理器的端口都能提供占空比为0~100%的低频PWM信号。MAX1916的EN引脚的响应时间允许PWM运行在高达2kHz左右的频率下。
低成本的MAX1574/MAX1575/MAX1576 电荷泵控制器结合了升压电源和电流调节功能,这些器件具有较高的输出电流、很好的电流匹配度以及较高的工作效率,并可提供自适应模式切换和过压保护,可驱动8只白光LED。

自适应切换电路对输入电压进行检测,并确定效率最高的升压比(例如,1×模式、1.5×模式或2×模式)。利用一串脉冲码,通过Dual ModeTM使能引脚,可以调节亮度(相当于设置电流的百分比)。
MAX1574电荷泵驱动电路能够以高达180mA的电流驱动三只白光LED。1MHz的开关频率允许电荷泵使用小尺寸陶瓷电容。图6所示的MAX1576电荷泵电路能够以高达480mA的总电流驱动两组(每组四只白光LED)白光LED。对于闪烁状态的白光LED组,允许每只白光LED的电流达到100mA。每组白光LED具有独立的电流设置、脉冲亮度调节和2线亮度控制功能。利用自适应开关,在单节锂离子电池的整个放电过程中平均效率可以达到83%。对于使白光LED闪光灯的数码照明机,MAX1576是理想选择。

MAX1575是该系列产品的另一款芯片,能够以高达120mA的总输出电流驱动两组白光LED(四只主屏白光LED和两只子屏白光LED)。

(2)采用稳压输出电源驱动电路

采用稳压输出电源驱动电路与独立调节流过每只白光LED的电流方法相似,使用稳压输出电源的方法非常经济,但电流精度不如独立调节流过每只白光LED的电流的方法。由于使用稳压输出电源的方法不能实现稳流,所以流过每只白光LED的绝对电流必须保持在所要求的最大亮度电流与白光LED的最大额定电流之间。电流匹配度必须足够好,以便保持亮度均匀。采用稳压输出电源驱动时,流过白光LED的电流可由稳压电源的输出电压(VOUT)减去白光LED的正向电压(VD)后除以R确定:

I=(VOUT-VD)/R  (1)

在相同电流下,白光LED的电压并不相等。图8所示为白光LED的电压差与电流的函数关系。

针对白光LED正向电压的匹配度对电流匹配度的影响,可利用式(2)计算白光LED电流的比值。I1与I2的比值为
I1/I2=R2(VOUT-VD1)/[R1(VOUT-VD2]  (2)
假设R1=R2,式(2)可简化为
I1/I2=(VOUT-VD1)/(VOUT-VD2)(3)
当VOUT非常高时,式(3)趋于1。因较高的输出电压VOUT有助于得到较好的电流匹配度,电阻R必须与VOUT-VD成比例增大,以便保持恒定电流。较高的VOUT带来电阻R消耗的功率增大。为此,在电路设计时需要折中选择电路效率和电流匹配度。
例如,以5V电源驱动3.60V的白光LED,R上的电压为1.40V。若换成3.42V的白光LED,由R上的电压增加到接近1.58V,白光LED的电流增加13%。需要注意的是,此时白光LED的电压仅有5%的变化。
① 绝对精度。使用稳压输出电源驱动白光LED时电流的绝对误差可用式(1)计算。对于所选择的白光LED,利用VD与ID的关系曲线进行计算。
将所期望的工作电流I对应的VD标称电压及所选择的VOUT代入式(1),可以解得电阻值R0得到电阻值R后,利用白光LED数据资料中最差条件下的VD求解式(1)。须考虑温度变化对VD的影响。这样能够得出白光LED电流的范围,电流范围必须小于白光LED的最大额定值。
② 亮度调节。在稳压输出电源驱动电路中,可通过改变VOUT调节白光LED的电流。在使用同一电源时,并不推荐这种方法。可供选择的是用MOSFET管与开关电阻并联组成简单的亮度调节器。但是,当需要多级亮度调节时,这种方法的成本将急剧增高。这时,应考虑采用集成方案或串联驱动方式。用MOSFET管控制与R1a~R3a并联的电阻R1b~R3b,进行亮度调节。
(3)采用稳流输出变换器
在用稳流输出变换器驱动白光LED的电路中,流过其中一只白光LED的电流通过电阻R1检测,并由变换器稳定调节该电流。变换器的类型可以是基于电感的变换器,也可以是电荷泵或线性稳压器。白光LED的电流方程与式(1)相同,但条件不同,这里稳定的是I1,而不VOUT,公式为
I1=VFEEDBACK/R1 (4)
由于只调节了一个电流,其余白光LED的正向压差会导致电流误差。图10所示为改进后增大R1的电路。因为电流必须保持恒定,将R1分为R1a和R1b。R1b控制电流,R1a控制输出电压,R2和R3设置为R1a+R1b。采用稳流输出变换器的电路的电流匹配通过增大R1a得到改进。

2、驱动串联白光LED
驱动串联白光LED时,由于流过每只白光LED的电流相同,可以获得均匀的亮度。该设计的缺点是驱动电压为各白光LED正向压降之和,需要驱动器输出满足LED串联所需的驱动电压。这种串联配置需要基于电感的变换器,以便在高压时获得高效率。在选择这种类型的变换器时,必须考虑Lx引脚的额定输出电压。
表1给出了几款变换器Lx引脚的额定电压及可以驱动串联白光LED的数量。Lx引脚的最大额定电压与白光LED串联后的最大电压之间需要保留一定的安全裕量,以允许过压关断。
例如,MAX8596Z是专为驱动多达八只串联白光LED而设计的开关变换器,其应用电路如图12所示。该器件具有2.6~5.5V的输入电压范围,允许单节锂离子电池或三节NiGd/NiMH电池进行供电。MAX8596Z采用节省空间的8引脚TDFN封装形式。由于它工作在高速1MHz PWM方式,因此,允许选用小巧的外部元件。MAX8596Z具有32~36V的过压锁存门限,当出现白光LED开路时能够有效地保护集成电路。另外,该器件还具有高温降额功能,当温度超过+42℃时输出电流降低,以便减少白光LED的功耗。
可用任意直流电压或未经滤波的PWM信号驱动CTRL引脚,调节白光LED的电流。采用0.24~1.72V的CTRL引脚电压驱动白光LED从最暗到满亮度变化。超过1.72V时,输出电流被钳位在最大值。可以采用200Hz~200kHz的PWM信号调节白光LED的亮度。

 

 

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