标准和白光LED的基础知识与驱动(二)

时间：2008-08-06 21:49:09

关键字：基础知识白光LED 电荷泵电流控制

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[导读]许多便携式或采用电池供电的设备使用白光LED作为背光。特别是PDA彩色显示器需要白色背景光，以恢复所希望的色彩，恢复色彩要与原物很接近。未来的3G手机支持图片和视频数据，这也需要白色背光。数码照相机、MP3播放

许多便携式或采用电池供电的设备使用白光LED作为背光。

特别是PDA彩色显示器需要白色背景光，以恢复所希望的色彩，恢复色彩要与原物很接近。未来的3G手机支持图片和视频数据，这也需要白色背光。

数码照相机、MP3播放器和其它视频、音频设备也包括需要白色背光的显示器。

在绝大多数应用中，单个白光LED是不够的，需要同时驱动几个LED。

必须采用特定的操作，以确保它们的强度和色彩一致，即使是在电池放电或其它条件变化时。

图7给出了一组随机挑选的白光LED的电流-电压曲线。在这些LED上加载3.3V电压(上端虚线)会产生2mA至5mA范围的正向电流，导致不同亮度的白光。

该区域中(如图5所示)Y坐标变化很剧烈，会导致显示色彩的不真实。

同样，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，LED要求高于3V的电压驱动，若低于该电压，几个LED可能会完全变暗。

图7：曲线显示了不同白光LED的电流-电压特性之间的相当大的差异，甚至是从同一产品批次中随机挑选的LED，因此用恒定的3.3V驱动这样几个并联的LED会导致不同亮度的白光(上虚线)。

锂电池在完全充满电时可以提供4.2V的输出电压，在很短的一段工作时间内会下降到标称的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，如图3所示，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，设计人员必须考虑电池电压和二极管正向电压的数值，而需要计算串联电阻的阻值。(随着电池彻底放电，部分LED将会完全熄灭。)

带有电流控制的电荷泵

LED供电电源的目标是提供一个足够高的输出电压，并且在并联连接的LED上加载同样的电流。注意(如图5所示)，如果并联配置的所有LED具有一致的电流，那么所有的LED将会具有相同的色彩坐标。Maxim提供带有电流控制的电荷泵，以实现这一目标(MAX1912)。

图8所示的三个并联的LED，电荷泵具有较大量程，可以提高输入电压至1.5倍。早期的电荷泵只能简单的使输入电压倍压，而新的技术则提供了更好的效率。将输入电压升高至恰好可以驱动LED工作的电平。连接至SET(10引脚)的电阻网络保证所有LED的电流一致。内部电路保持SET电平在200mV，这样就可以计算出流经每个LED的电流ILED=200mV/10=20mA。

如果某些二极管需要较低的电流，可以同时并联驱动3个以上的LED，MAX1912的输出电流可达60mA。进一步的应用和图表可以参考MAX1912数据资料。

图8：IC内部包括电荷泵和电流控制，电荷泵为白光LED提供足够的驱动电压，而电流控制通过给每个LED加载同样的电流来确保均匀的白光。

简单电流控制

如果系统提供高于二极管正向导通电压的电平，白光LED可以很容易的被驱动。例如，数码照相机通常包括一个+5V供电电源。如果那样的话，就不需要升压功能，因为供电电压足以驱动LED。对于图8所示电路，应该选择一个匹配的电流源。比如，MAX1916可以同时驱动3个并联的LED(如图9所示)。

图9：单个外部电阻(RSET)设定流经每个LED的电流数值，在IC的使能引脚(EN)上加载脉宽调制信号可以实现简单的亮度控制(调光功能)。

工作简单：电阻RSET设定加载至所连LED的电流。这种方法占用很少的PCB空间。除IC(小巧的6引脚SOT23封装)和几个旁路电容之外，仅需要一个外部电阻。IC具有极好的电流匹配，不同LED之间差别0.3%。这种结构提供了相同的色彩区域，因此每个LED具有一致的白光亮度。

调光改变光强

某些便携式设备根据环境光线条件来调节其光输出亮度，有些设备在一段较短的空闲时间之后通过软件降低其光强。这都要求LED具有可调光强，并且这样的调节应该以同样的方式去影响每路正向电流，以避免可能的色彩坐标偏移。利用小型数模转换器控制流经RSET电阻的电流可以得到均匀的亮度。

6位分辨率的转换器，比如带有I2C接口的MAX5362或者带有SPI接口的MAX5365，能够提供32级亮度调节(如图10所示)。由于正向电流会影响色彩坐标，因此LED白光会随着光强的变化而改变。但是这并不是问题，因为相同的正向电流会使得这个组里的每个二极管都发出同样的光。

图10：数模转换器通过一致改变LED的正向电流来控制LED的调光。

使色彩坐标不发生移动的调光方案叫做脉宽调制。它能够由绝大多数可以提供使能或者关断控制的电源器件实现。例如，通过拉低EN电平禁止器件工作时，MAX1916可以将流经LED的泄漏电流限定在1μA，使发射光为零。拉高EN电平可以管理可控的LED正向电流。如果给EN引脚加脉宽调制信号，那么亮度就与该信号的占空比成正比。

由于流经每个LED的正向电流持续保持一致，因而色彩坐标不会偏移。但是，肉眼会感觉到占空比改变带来的光强变化。人眼无法分辨超过25Hz的频率，因此200-300Hz的开关频率是PWM调光的很好选择。更高的频率会产生问题，用来切换LED开关的短暂时间间隔内色彩坐标会发生变化。PWM信号可以由微处理器的I/O引脚或其外设提供。可提供的两度等级取决于所用的计数寄存器的字节长度。

开关模式升压转换器，具有电流控制

除了前面所提到的电荷泵(MAX1912)之外，还可以实现带有电流控制的升压转换器。比如，开关模式电压转换器MAX1848，可以产生最高至13V的输出电压，足以驱动三个串联的LED(如图11所示)。这种方法也许是最简洁的，因为所有串接的LED具有完全相同的电流。LED电流由RSENSE与加载在CTRL输入上的电压共同决定。