摘要：白光LED被普遍用作便攜設(shè)備LCD的背光源，原因是他們復(fù)雜程度較低、花費(fèi)較少且尺寸小于CCFL背光源。PDA、手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等便攜設(shè)備已逐步過渡到彩色LCD顯示屏，因此，越來(lái)越多的產(chǎn)品需要背光源。本文討論用于串聯(lián)或并聯(lián)白光LED供電的電荷泵和電感升壓轉(zhuǎn)換方案，采用電壓調(diào)節(jié)或電流調(diào)節(jié)控制器。本文還討論了對(duì)尺寸、效率、電池壽命及LED匹配的折衷考慮。

隨著手機(jī)、PDA及數(shù)碼相機(jī)越來(lái)越多地使用彩色LCD顯示器，白光LED成為一種通用的照明源。單色顯示器可以使用電致發(fā)光背光燈或彩色LED作為背光源，而彩色顯示器則需要白光燈源，以正確顯示色彩。

主要有兩種方法提供白光燈源：白光LED和CCFL (冷陰極熒光燈)。CCFL在筆記本電腦中已經(jīng)應(yīng)用了很多年。但是，考慮到光源尺寸、復(fù)雜性及成本優(yōu)勢(shì)，白光LED成為小型手持設(shè)備的首選光源。

白光LED只需較低的直流電壓(3V與4V之間)，也就是說(shuō)，可以采用簡(jiǎn)單的基于電感或電容的電路供電。相反，CCFL則需要很高的交流電壓(200VRMS至500VRMS)供電，成本高、體積大，需采用基于變壓器的電路(圖1)。


圖1. CCFL電路需要變壓器為熒光燈管提供高壓。

紅光和綠光LED的正向壓降為1.8V至2.4V (典型值)，一些常用電池即可提供足夠高的電壓，直接驅(qū)動(dòng)這些LED。然而，白光LED的正向壓降為3V至4V (典型值)，通常需要一個(gè)獨(dú)立電源供電。

驅(qū)動(dòng)LED

光強(qiáng)與流過LED的電流有關(guān)，電流越大光強(qiáng)越高。滿亮度輸出時(shí)電流大約為20mA。數(shù)碼相機(jī)和蜂窩電話一般需要2至3個(gè)LED，PDA一般需要3至6個(gè)LED背光。

可以通過并聯(lián)或串聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)LED，如圖2所示。并聯(lián)方式的缺點(diǎn)是LED電流及亮度不能自動(dòng)匹配。串聯(lián)方式保持固有的匹配特性，但需要更高的供電電壓。


圖2. 方式A (LED并聯(lián))，所需電壓較低；方式B (LED串聯(lián))，可提供最佳匹配。

無(wú)論是并聯(lián)方式還是串聯(lián)方式，大多數(shù)手持設(shè)備的電池電壓都不足以驅(qū)動(dòng)LED，所以需要升壓轉(zhuǎn)換器。電荷泵轉(zhuǎn)換器利用小電容實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，尺寸最小、成本最低。但是，電荷泵轉(zhuǎn)換器只能產(chǎn)生輸入電壓的倍數(shù)(如：1.5倍、2倍)。因此，串聯(lián)LED通常需要基于電感的轉(zhuǎn)換器。利用基于電感的轉(zhuǎn)換器，可輕松實(shí)現(xiàn)更高的升壓比，而且，能夠在較寬的輸入至輸出電壓范圍內(nèi)保持高效。

驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED

圖3所示是驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED的三種主要方法：

1. 利用現(xiàn)有電源獨(dú)立調(diào)節(jié)流過每個(gè)LED的電流。
2. 只調(diào)節(jié)電源電壓，依靠LED的一致性和串聯(lián)電阻使電流匹配。
3. 調(diào)節(jié)流過一個(gè)LED的電流，依靠LED的一致性和串聯(lián)電阻使其余的LED電流匹配。

圖3. 圖中給出了三種驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED的方法：A) 獨(dú)立調(diào)節(jié)每個(gè)LED的電流；B) 調(diào)節(jié)輸出電壓，依靠LED的一致性和串聯(lián)電阻使電流匹配；C) 調(diào)節(jié)流過一個(gè)LED的電流，依靠LED的一致性和串聯(lián)電阻使其余的LED電流匹配。

方法A. 獨(dú)立調(diào)節(jié)流過每個(gè)LED的電流

集成LED電流調(diào)節(jié)器
若有一個(gè)足夠高的電源驅(qū)動(dòng)LED正向?qū)?，那么，只需設(shè)計(jì)電流控制電路，并可提供足夠的電流驅(qū)動(dòng)滿亮度下的所有LED。

圖4所示電路利用MAX1916以恒定電流驅(qū)動(dòng)三個(gè)白光LED，是LED亮度匹配的低成本解決方案。絕對(duì)電流設(shè)置在所要求的LED最大亮度電流與最大額定電流之間；為了保持顯示器亮度一致，電流匹配必須足夠好。典型的電流匹配度為0.3%，絕對(duì)電流精度為±10%。每路輸出的壓差小于410mV，以保持20mA電流。這樣，只需4.2V即可驅(qū)動(dòng)3.8V的LED。LED引腳電流設(shè)為流入SET引腳電流的230倍。為給SET引腳提供偏置電流，需要把RSET連接到大于1.215V SET引腳偏置電壓的電壓。


圖4. MAX1916采用SOT23封裝，提供0.3%的電流匹配度。


圖5. MAX1916驅(qū)動(dòng)白光LED時(shí)的三種電流調(diào)節(jié)方法。

有多種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)LED亮度的方法，如圖5所示。

一種方法是：用DAC驅(qū)動(dòng)RSET (圖5A)。LED電流是DAC輸出電壓減去SET引腳偏置電壓的函數(shù)。DAC可以選用SOT23封裝的低成本MAX5360-MAX5365系列。

利用控制器的I/O引腳控制多個(gè)電阻，可組成一個(gè)簡(jiǎn)易的亮度調(diào)節(jié)器，如圖5B所示。將控制引腳在高電(on)和三態(tài)(off)之間切換，以得到所要求的SET引腳電流。

最后一種方法是：利用邏輯電平PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)ENABLE引腳(圖5C)。許多處理器的端口都能提供占空比從0至100%的低頻PWM信號(hào)。MAX1916 ENABLE引腳的響應(yīng)時(shí)間允許PWM運(yùn)行在高達(dá)2kHz左右的頻率。

集成電荷泵升壓電源與電流調(diào)節(jié)器
如果系統(tǒng)已有的電源不合適，則需選擇專用的LED電源。低成本的MAX1574/MAX1575/MAX1576電荷泵控制器結(jié)合了升壓電源和電流調(diào)節(jié)功能。這些器件具有較高的輸出電流、很好的電流匹配度以及較高的工作效率，并可提供自適應(yīng)模式切換、過壓保護(hù)，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED。

自適應(yīng)切換電路對(duì)輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)，并確定效率最高的升壓比(例如，1倍、1.5倍或2倍)。利用一串脈沖碼，通過Dual Mode?使能引腳，可以調(diào)節(jié)亮度(相當(dāng)于設(shè)置電流的百分比)。

圖6所示MAX1574電荷泵能夠以高達(dá)180mA的總電流驅(qū)動(dòng)三個(gè)LED。1MHz的開關(guān)頻率允許電荷泵使用小尺寸陶瓷電容。

圖7所示MAX1576電荷泵能夠以高達(dá)480mA的總電流驅(qū)動(dòng)兩組、每組四個(gè)LED。對(duì)于閃爍狀態(tài)的LED組，允許每個(gè)LED電流達(dá)到100mA的電流。每組LED具有獨(dú)立的電流設(shè)置、脈沖亮度調(diào)節(jié)和2線亮度控制。利用自適應(yīng)開關(guān)，在單節(jié)鋰電池的整個(gè)放電過程中(圖8)平均效率可以達(dá)到83%。對(duì)于使用LED閃光燈的數(shù)碼照相機(jī)，MAX1576是理想選擇。

MAX1575是該系列產(chǎn)品的另一款芯片，能夠以120mA總輸出電流驅(qū)動(dòng)兩組LED (四個(gè)主屏LED和兩個(gè)子屏LED)。


圖6. 提供一組LED電流源的MA1574電荷泵


圖7. 提供兩組LED電流源的MA1576電荷泵


圖8. MAX1576在典型鋰電池電壓下的效率

方法B. 使用穩(wěn)壓輸出電源

與方法A相似，如果系統(tǒng)中有現(xiàn)成的電壓源時(shí)可以采用方法B。方法B非常經(jīng)濟(jì)，但電流精度不如方法A。由于方法B不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流，所以流過每個(gè)LED的絕對(duì)電流必須保持在所要求的最大亮度電流與LED最大額定電流之間。電流匹配度必須足夠好，以便保持亮度均勻。

參考圖3中的方法B，通過任意LED上的電流可由電源的輸出電壓(VOUT)減去正向LED電壓(VD)，然后除以R決定：

I = (VOUT - VD)/R (式1)

圖9A所示為典型手持設(shè)備中兩個(gè)白光LED的I-V曲線圖。相同電流下，二極管的電壓并不相等。圖9B所示為白光LED之間的電壓差與電流的函數(shù)關(guān)系。


圖9A. 典型手持設(shè)備中兩個(gè)白光LED的I-V曲線圖


圖9B. 兩個(gè)白光LED間的電壓差與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系

LED電流的匹配
為了理解正向電壓的匹配度對(duì)電流匹配度的影響，可利用式1計(jì)算LED電流的比值。例如，I1與I2的比值為：

I1/I2 = R2/R1 ((VOUT - VD1)/(VOUT - VD2)) (式2)

假設(shè)R1 = R2，式2可簡(jiǎn)化為：

I1/I2 = (VOUT - VD1)/(VOUT - VD2) (式3)

當(dāng)VOUT非常大時(shí)，式3結(jié)果趨于1。因此較高的VOUT有助于得到較好的電流匹配度。R必須與VOUT - VD成比例增大，以便保持恒定電流。較高的VOUT帶來(lái)的損失是R消耗的功率越大。需要折衷選擇效率和電流匹配度。

例如，以5V電源驅(qū)動(dòng)3.60V的LED，R上的電壓為1.40V。若換成3.42V的LED，則R上的電壓增加到接近1.58V，LED電流增加13%；需要注意的是：此時(shí)LED電壓僅有5%的變化。這個(gè)例子表明了需要合理選擇效率和匹配度。

絕對(duì)精度
圖3中方法B的LED電流絕對(duì)誤差可用式1計(jì)算。對(duì)于所選擇的LED，利用VD與ID的關(guān)系曲線(圖9A)進(jìn)行計(jì)算。

將所期望的工作電流I、電流I對(duì)應(yīng)的VD標(biāo)稱電壓(由圖可知)及所選擇的VOUT代入式1，可以解得R值。得到R值后，利用LED數(shù)據(jù)資料中最差條件下的VD求解式1。須考慮溫度變化對(duì)VD的影響。這樣能夠得出LED電流的范圍，電流范圍必須小于LED的最大額定值。

亮度調(diào)節(jié)
圖3方法B中，可通過改變VOUT調(diào)節(jié)LED電流。在使用同一電源時(shí)，并不推薦這種方法?？晒┻x擇的是，用MOSFET與開關(guān)電阻并聯(lián)組成簡(jiǎn)單的亮度調(diào)節(jié)器(圖10)。但是，當(dāng)需要多級(jí)亮度調(diào)節(jié)時(shí)，這種方法的成本將急劇增高。這時(shí)，應(yīng)考慮圖6所示集成方案或串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式(下面討論)。


圖10. 用MOSFET控制與R1a至R3a并聯(lián)的電阻R1b至R3b，進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)

方法C. 使用穩(wěn)流輸出轉(zhuǎn)換器

圖3中的方法C給出了穩(wěn)流(而不是穩(wěn)壓)輸出轉(zhuǎn)換器。在此設(shè)計(jì)中，流過其中一個(gè)LED的電流通過電阻R1檢測(cè)，并由轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定調(diào)節(jié)該電流。轉(zhuǎn)換器類型可以是基于電感的轉(zhuǎn)換器，也可以是電荷泵或線性穩(wěn)壓器。

LED電流方程與式1相同，方便起見，將其列于下方：

I = (VOUT - VD)/R (式4)

但條件與前面不同，這里穩(wěn)定的是I1，而不是VOUT，公式為：

I1 = VFEEDBACK/R1 (式5)

由于只調(diào)節(jié)了一個(gè)電流，其余LED的正向壓差會(huì)導(dǎo)致電流誤差，與上述討論相同。此外，該方案按照?qǐng)D11所示改進(jìn)后的方法增大R1。


圖11. 圖3方法C所示電路的電流匹配通過增大R1A得到改進(jìn)。對(duì)于所選擇的電流，R1B必須保持恒定。將R2和R3設(shè)置為R1A + R1B。

因?yàn)殡娏鞅仨毐３趾愣?，將R1分為R1A和R1B。R1B控制電流，R1A控制額外的輸出電壓，已達(dá)到所要求的電流匹配度。將R1 = R1A + R1B代入式4；R1 = R1B代入式5。為使電流匹配，R2和R3設(shè)置為R1A + R1B。

圖12所示電路利用MAX1910/MAX1912電荷泵實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)。圖中增加了亮度調(diào)節(jié)輸入，且所有LED共用一個(gè)檢測(cè)電阻，以便調(diào)節(jié)總電流。為提高效率，這些控制器提供1.5倍和2倍升壓選擇?？商峁└哌_(dá)120mA的輸出電流，具體取決于輸入電壓。詳細(xì)信息請(qǐng)參考數(shù)據(jù)資料。



圖12. 帶亮度調(diào)節(jié)控制的MAX1910/MAX1912

驅(qū)動(dòng)串聯(lián)LED

驅(qū)動(dòng)串聯(lián)白光LED時(shí)，由于流過每個(gè)LED的電流相同，可以獲得均勻的亮度。該設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是—正向壓降相加，需要更高的驅(qū)動(dòng)電壓。這種配置需要基于電感的轉(zhuǎn)換器，以便在高壓時(shí)獲得高效率。在選擇這種類型的轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須考慮Lx引腳的額定輸出電壓。

有幾款型號(hào)根據(jù)其Lx引腳的額定電壓，可以驅(qū)動(dòng)不同數(shù)量的串聯(lián)LED，如表1所示。Lx引腳的最大額定電壓與LED串兒的最大電壓之間需要保留一定的安全裕量，以允許過壓關(guān)斷。

表1. 選擇適當(dāng)器件驅(qū)動(dòng)所要求的串聯(lián)LED

PART	Lx PIN RATING (V)	# SERIES LEDs	PACKAGE
MAX1848	14	3	8-SOT23
MAX1561/MAX1599	30	6	8-TDFN
MAX8595Z/MAX8596Z	37	8	8-TDFN
MAX8595X/MAX8596X	40	9	8-TDFN

例如，MAX8596Z是專為驅(qū)動(dòng)多達(dá)八個(gè)串聯(lián)(圖13)白光LED設(shè)計(jì)的開關(guān)調(diào)節(jié)器。該器件具有2.6V至5.5V的輸入電壓范圍，允許單節(jié)鋰電池或三節(jié)NiCd/NiMH電池為IC供電。MAX8596Z采用節(jié)省空間的8引腳TDFN封裝。工作在高速1MHz PWM方式，因此，允許選用小巧的外部元件。32V至36V的過壓鎖存門限當(dāng)出現(xiàn)LED開路時(shí)能夠有效保護(hù)IC。另外，器件還具有高溫降額功能。超過42°C時(shí)輸出電流降低，以便減小LED的功耗。


圖13. MAX8596Z開關(guān)調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)多達(dá)8個(gè)串聯(lián)白光LED

用任意直流電壓或未經(jīng)濾波的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)CTRL引腳， 可以調(diào)節(jié)LED電流。0.24V至1.72V的CTRL引腳電壓驅(qū)動(dòng)LED從最暗到滿亮度。超過1.72V時(shí)，輸出電流被箝位在最大值?？梢圆捎?00Hz至200kHz的PWM信號(hào)，誤差信號(hào)放大器及補(bǔ)償電容用作PWM信號(hào)濾波，不需要輸入濾波器。

MAX8596Z驅(qū)動(dòng)不同數(shù)量LED時(shí)的效率如圖14所示。最大效率超過85%。


圖14. 圖13所示電路中MAX8596Z的效率