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面向便携设备的LED驱动器
Spotlight on LED Drivers
■ 飞兆半导体公司 (Fairchild) Tivadar Szabo,DeAnn Wright



如今的移动电话和PDA用户对背光和显示色彩的要求越来越高。设计人员可能期望消费者会根据产品的技术特点选择购买,然而移动电话和PDA用户看重的却往往是产品的外在特色,如特别的色彩或声音等。此类外在特色将成为下一代移动电话和PDA产品的卖点,也是产品能否在市场上取得成功的关键。

今天增长迅速的移动电话和PDA用户群都是一些年轻和追求时尚的人。他们希望移动电话具有多种背光色彩、夜光照明按键,并能以不同色彩显示来电。不过这一切只是个开始。新一代移动电话将配备全彩色显示屏和内置照相机。为了在新兴的市场中取得成功,设计人员必须利用先进的LED和LED驱动器技术。


白光LED

设计人员有两种基本的LCD技术来显示彩色,分别是采用超扭曲向列 (STN) 或薄膜晶体管(TFT)显示。这两种方式都需要白光背光照明。因为白光光谱包含了所有的颜色,而显示器的滤色镜会从白光光谱中挑选所需的颜色。如果光谱不是完全白光,色彩便会失真扭曲,显示也会变得混浊。

过去电致发光(EL)与冷阴极荧光管(CCFT)被广泛用于产生白光光谱,而现在的发展趋势是在彩色显示背光照明中使用白光LED。白光LED的结构非常紧凑,工作电压也比高压的EL和CCFT方案低很多,因而成为理想的低成本方案。事实上,LED是现在移动电话中最流行的照明选择。


白光LED驱动器

白光LED的正向压降匹配较差。第一代LED驱动器采用限流电阻进行电流匹配,以补偿正向电压的差异,从而保证LED亮度的一致性。然而,最新研制的LED驱动器IC不会受供电电压的影响而保证恒定的亮度。提升并调节电池电压的驱动器IC可以是开环或闭环控制器、电荷泵,或带有电压或电流输出的电感转换器。


并联、串联还是混联?

设计人员可根据特定应用的需要选择合适的LED配置,以获得最佳的性价比。然而, 由于现有的LED驱动器和配置数目众多,挑选合适的LED配置方案可能会很复杂。

在大多数应用中,LED是通过并联或串联在一起。但在个别情况下,也可采用混合的串联/并联配置方式。对串联、并联或混联的应用没有绝对的答案,这要取决于应用的需要,每种配置方案都有本身的优点和不足之处。


串联

在讨论串联配置的优缺点之前,必须先了解LED电流值如何影响亮度匹配。LED为二极管,具有类似二极管的正向电压和电流特性。由于LED亮度几乎完全由电流控制,因此,只要使用相同或匹配的电流,两个LED即可获得相同的亮度,而无需考虑其正向电压的差异。图1为串行连接的LED,并使用反馈电阻器来控制LED电流。

图1 串联配置(略)

LED的正向电压各有不同,LED的串联可保证其电流相同,因此全部LED的亮度都是一致的。


并联

大多数并联LED配置都采用恒电压或恒电流LED驱动器,而驱动器的采用取决于具体的应用要求。

在恒压拓扑中驱动并联LED非常简单,驱动器可以是开环电压输出的开关式电容DC/DC稳压转换器和电荷泵,如图2所示。

图2 恒压驱动器(略)

每个LED都有一个串行连接的限流电阻,用来设置电流值并匹配LED之间的电流。采用具有高限流电阻值的恒压驱动器,可以获得良好的电流匹配,但其负面作用是影响效率。相反,较低的限流电阻值将提供较高的效率,但较差的电流/亮度匹配效果。

图3 带限流电阻的恒压驱动器(略)

第一代恒流驱动器是带有整流功能的电荷泵,这些IC使用限流电阻来检测LED电流。电流可以利用反馈连接至限流电阻的LED进行调节-通常是配置中的第一个LED,然后,余下LED的限流电阻器会与第一个LED的电流进行匹配。由于LED之间的正向电压各不相同,因此电流匹配的精度非常有限,如图3所示。


匹配

需要精确电流匹配的应用如彩色LCD显示等,可以使用今天的内部匹配恒流LED驱动器,这些驱动器可在LED之间提供精确的电流匹配,而无需考虑其正向电压。图4展示飞兆半导体的FAN5609驱动器如何在LED之间提供电流匹配,而 无需使用限流电阻。唯一缺点是每个LED都需要连接到驱动器。

图4 Fairchild FAN5609驱动器(略)
图5 Fairchild FAN5613驱动器(略)


并非所有并联LED驱动器都需要升压电路。白光LED需要的正向电压相对较高。最新的技术趋势是将该电压降低-低于3V。为什么电压降低至3V以下如此重要?以单个锂离子电池的工作范围为例,即电压范围由2.7V 到 4.2V,其标称电压值为3.6V。如果白光LED的正向电压低于3V,电池即可直接驱动电路(无需升压),从而减少部件数量和成本。图5显示飞兆半导体的FAN5613 LED驱动器如何直接由电池供电,并同时提供模拟和PWM亮度控制。


控制电路

与传统LED驱动器IC不同,如今的LED驱动器采用了主动匹配技术,以实现紧密追踪和恒定亮度,而内置的数字、模拟和PWM控制装置对亮度调节非常有利。飞兆半导体最新的LED驱动器之一FAN5608整合了所有的亮度控制方式: 数字、模拟、PWM,并支持特殊配置方案,容许两个恒流驱动多个LED串,每串LED都具有独立的亮度控制。图6所示为FAN5608如何为多达12个:两串每串六个 LED提供恒流源。

图6 Fairchild FAN5608并联/串联驱动器(略)


电流精确匹配

LED驱动器供应商经常吹捧LED电流匹配精确性在0.3%至 5%之间的差异,以及其驱动器正处于这水平内。实际上,人眼根本察觉不到LED之间如此小的亮度差别。那么,电流精确匹配的重要性何在?虽然电流匹配的精确性在5%或以下是最好的,但在5%以下任何精度之间的差别都只是细微至不能察觉。


照明实例

这里假设一个应用情境,并讨论当中利用特定LED驱动器配置的优缺点。在这示例中,假设有一个4英寸的彩色显示器,需要8个白光LED提供适当的背光照明和真实色彩。

本例需要采用相同的电流使亮度均匀,因此可选用串联或恒流并联配置方式。理想的解决方案是采用8个恒流LED并联配置,但市场还没有这种用于8个LED的驱动器。可以使用两个驱动器,每个驱动4个LED,但这意味着需要两套组件、两个驱动电路等,因此不是最佳的解决方案。如果采用串联驱动器,则需要30V以上的电压来驱动由8个LED组成的LED串,而这个高电压需求使得串联驱动器被剔出理想解决方案之列。

最近,更先进LED驱动器的面世,正好提供了较佳的解决方案。例如,飞兆半导体的全新串联/并联LED驱动器FAN5608,便能够满足所求,为两串LED提供恒流。可以在两个LED串上连接4个串联LED,从而满足驱动8个LED的要求。此外,这种配置所需的外部元件最少,因而成为这示例中最佳的显示设计方案。

总括而言,市场上的LED驱动器和配置方案就像其应用一样种类繁多。设计人员可针对具体应用挑选合适的LED配置方案,以获得最佳的性价比。今日的新型驱动器能提供一致的LED亮度,节省宝贵的印刷电路板空间,而且只需极少甚至不需外部元件。

         
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