各種白光LED驅(qū)動電路不同特性分析

   1996年，日亞化學(xué)的中村氏發(fā)現(xiàn)藍(lán)光LED之后，白光LED就被視為照明光源最具發(fā)展?jié)摿Φ慕M件，因此，有關(guān)白光LED性能的改善與商品化應(yīng)用，立即成為各國研究的焦點(diǎn)。目前,白光LED已經(jīng)分別應(yīng)用于公共場所的步道燈、汽車照明、交通號志、可攜式電子產(chǎn)品、液晶顯示器等領(lǐng)域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率的特性，一般認(rèn)為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源，因此，各廠商陸續(xù)推出白光LED專用驅(qū)動電路與相關(guān)組件。鑒于此，本文就LED專用驅(qū)動電路的特性與今后的發(fā)展動向進(jìn)行簡單闡述。

　　1 定電流驅(qū)動的理由

　　1.1 白光LED的光度以順向電流規(guī)范

　　白光LED的順向電壓通常被規(guī)范成20mA時，最小為3.0V，最大為4.0V，也就是若單純施加一定的順向電壓時，順向電流會作大范圍的變化。

圖1是從A、B兩家LED企業(yè)的產(chǎn)品中隨機(jī)取三種白光LED樣品進(jìn)行順向電壓與順向電流特性檢測的結(jié)果。根據(jù)檢測結(jié)果顯示，若利用3.4V順向電壓驅(qū)動上述六種白光LED時，順向電流會在10~44mA范圍內(nèi)大幅變動。表1為白光LED的電氣與光學(xué)特性。

由于白光LED的光度與色度是以定電流方式量測的，所以，為獲得預(yù)期的亮度與色度，通常是用定電流驅(qū)動。

1.2 避免順向電流超越容許電流值

　　為確保白光LED的可靠性，基本上就是需要設(shè)法避免順向電流超過白光LED的絕對最大設(shè)計值(定格值)。

圖2中，白光LED的定格最大順向電流為30mA，隨著周圍溫度的上升，容許順向電流則持續(xù)衰減，如果周圍溫度為50℃，通常順向電流就不能超過20mA。此外，利用定電壓的驅(qū)動方式不易控制流入LED的電流值，因此就無法維持LED的可靠性。

　　2 白光LED的驅(qū)動方法

圖3是驅(qū)動白光LED常用的四種電源電路;圖4是上述六種隨機(jī)取樣白光LED穩(wěn)定后的ReguLation精度特性。

圖4的測試結(jié)果顯示，ReguLator的負(fù)載特性出現(xiàn)在白光LED的VF角落上，即圖中的交叉點(diǎn)就是各白光LED的穩(wěn)定動作點(diǎn)。

　　2.1 使用電壓ReguLator的驅(qū)動方式

　　圖3(a)的電路分別使用可以控制LED電流的電壓ReguLator與BaLLast電阻，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是電壓ReguLator種類豐富，設(shè)計者可以選擇的自由度較大，而且與電壓ReguLator、LED的接點(diǎn)只有一點(diǎn);缺點(diǎn)是BaLLast造成的電力損失會導(dǎo)致效率惡化。此外，LED的順向電流也無法獲得精密控制。

　　圖4(a)中可以看出，隨機(jī)取樣六個白光LED的順向電流，從14.2mA到18.4mA分布范圍非常廣，因此，A廠商LED的(平均值)順向電流高達(dá)2.0mA。相比之下，圖4(b)電路使用的ReguLator雖然有小型、低成本的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是可能會無法滿足性能與可靠性的要求，也就是說本電路的實(shí)用性相對較弱。

　　2.2 使用定電流輸出的電壓ReguLator驅(qū)動方式

　　圖3(b)的電路雖然可以使流入LED的所有電流穩(wěn)定化，不過為了匹配(Matching)各LED的電氣特性，電路中特別設(shè)置了一組BaLLast電阻。

　　圖3(b)中的MAX1910屬于定電流輸出型的電壓ReguLator，雖然本電路使用同廠商、同批號(Lot)的白光LED，獲得了極佳的匹配性，不過，在使用不同廠商與批號的LED時，就會出現(xiàn)很大的特性差異分布。本電流Regu-Lator使用類似圖3(a)的方式控制驅(qū)動電流，不過它卻可以使BaLLast電阻的消費(fèi)電力降低一半左右。

　　圖4(b)的測試結(jié)果顯示，流入六個隨機(jī)取樣白光LED的電流，從15.4mA到19.6mA，變化范圍非常大。因此，A廠商與B廠商兩者的LED是以平均17.5mA的電流驅(qū)動。此電路的缺點(diǎn)是BaLLast電阻造成的電力損失有殘留之虞，而且又無法獲得LED電流的匹配性;不過整體而言，本電路兼具動作特性與簡潔性，所以具有相當(dāng)程度的使用價值。

　　2.3 使用輸出型的MuLti　PuLL電流Regu-Lator的驅(qū)動方式

　　圖3(c)的電路可以使流入LED的電流各自穩(wěn)定化，因此不需要使用BaLLast電阻，電流的精度與匹配性ReguLator則由各自的電流ReguLator支配。

　　圖3(c)中的MAX1570　IC可以使上述電流ReguLation達(dá)成2%標(biāo)準(zhǔn)的電流精度，與0.3%標(biāo)準(zhǔn)的電流匹配性等目標(biāo)。

　　由MAX1570　IC構(gòu)成的電流ReguLator為低Drop　Out　Type，因此它的動作效率非常高。圖4(c)的測試結(jié)果顯示，使用圖3(c)的驅(qū)動電路時，流入六個隨機(jī)取樣白光LED穩(wěn)定化的電流為17.5mA。

　　雖然ReguLator與LED之間需要四個連接端子，不過此電路不需要BaLLast電阻，所以可以有效抑制封裝面積，因此非常適合應(yīng)用在封裝空間極為狹窄的小型液晶面板等領(lǐng)域。

　　2.4 使用升壓型電流ReguLator驅(qū)動的方式

　　圖3(d)的電路是利用可以使電流穩(wěn)定化的電感(Inductor)，構(gòu)成所謂的高效率Step　Up　Converter。本電路的最大特點(diǎn)是　Feed　Back　ThreshoLd電壓，可以減少電流檢測用電阻的電力損失。此外，LED采用串聯(lián)方式連接，所以流入白光LED的電流即使是在各種要求下，都能夠與LED完全取得匹配。

　　有關(guān)電流的精度基本上取決于Regu-Lator的Feed　Back　ThreshoLd精度，因此不會受到LED順向電壓的影響。

　　由MAX1848與MAX1561　IC構(gòu)成的電流ReguLator的效率(PLED/PIN)分別是：三個LED+MAX1848，87%;六個LED+MAX-1561， 84%。

　　Step　Up　Converter的另一優(yōu)點(diǎn)是Regu-Lator與LED之間需要兩個連接端子，而且LED的使用數(shù)量不會受到Step　Up　Converter種類的影響，這意味著設(shè)計者會擁有更大的選擇空間。因此，Step　Up　Converter廣泛應(yīng)用在各種尺寸的液晶面板;電路的缺點(diǎn)是電感外形高度、組件成本偏高，有EMI輻射干擾。

3　結(jié)束語

　　以上介紹了白光LED常用的驅(qū)動電路，并通過實(shí)驗(yàn)方式深入探討了各電路實(shí)際運(yùn)行時的優(yōu)缺點(diǎn)和特性。由于LED結(jié)構(gòu)的限制，因此會有波長與驅(qū)動電流精度不易控制等困擾，隨著白光LED背光模塊應(yīng)用需求的不斷增加，如何改善上述波長與電流精度問題，同時降低驅(qū)動電路的制作成本，成為必須克服的問題。