各种白光LED驱动电路不同特性分析

   1996年，日亚化学的中村氏发现蓝光LED之后，白光LED就被视为照明光源最具发展潜力的组件，因此，有关白光LED性能的改善与商品化应用，立即成为各国研究的焦点。目前,白光LED已经分别应用于公共场所的步道灯、汽车照明、交通号志、可携式电子产品、液晶显示器等领域。由于白光LED还具备丰富的三原色色温与高发光效率的特性，一般认为非常适用于液晶显示器的背光照明光源，因此，各厂商陆续推出白光LED专用驱动电路与相关组件。鉴于此，本文就LED专用驱动电路的特性与今后的发展动向进行简单阐述。

　　1 定电流驱动的理由

　　1.1 白光LED的光度以顺向电流规范

　　白光LED的顺向电压通常被规范成20mA时，最小为3.0V，最大为4.0V，也就是若单纯施加一定的顺向电压时，顺向电流会作大范围的变化。

图1是从A、B两家LED企业的产品中随机取三种白光LED样品进行顺向电压与顺向电流特性检测的结果。根据检测结果显示，若利用3.4V顺向电压驱动上述六种白光LED时，顺向电流会在10~44mA范围内大幅变动。表1为白光LED的电气与光学特性。

由于白光LED的光度与色度是以定电流方式量测的，所以，为获得预期的亮度与色度，通常是用定电流驱动。

1.2 避免顺向电流超越容许电流值

　　为确保白光LED的可靠性，基本上就是需要设法避免顺向电流超过白光LED的绝对最大设计值(定格值)。

图2中，白光LED的定格最大顺向电流为30mA，随着周围温度的上升，容许顺向电流则持续衰减，如果周围温度为50℃，通常顺向电流就不能超过20mA。此外，利用定电压的驱动方式不易控制流入LED的电流值，因此就无法维持LED的可靠性。

　　2 白光LED的驱动方法

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图3是驱动白光LED常用的四种电源电路;图4是上述六种随机取样白光LED稳定后的ReguLation精度特性。

图4的测试结果显示，ReguLator的负载特性出现在白光LED的VF角落上，即图中的交叉点就是各白光LED的稳定动作点。

　　2.1 使用电压ReguLator的驱动方式

　　图3(a)的电路分别使用可以控制LED电流的电压ReguLator与BaLLast电阻，这种电路的优点是电压ReguLator种类丰富，设计者可以选择的自由度较大，而且与电压ReguLator、LED的接点只有一点;缺点是BaLLast造成的电力损失会导致效率恶化。此外，LED的顺向电流也无法获得精密控制。

　　图4(a)中可以看出，随机取样六个白光LED的顺向电流，从14.2mA到18.4mA分布范围非常广，因此，A厂商LED的(平均值)顺向电流高达2.0mA。相比之下，图4(b)电路使用的ReguLator虽然有小型、低成本的优点，缺点是可能会无法满足性能与可靠性的要求，也就是说本电路的实用性相对较弱。

　　2.2 使用定电流输出的电压ReguLator驱动方式

　　图3(b)的电路虽然可以使流入LED的所有电流稳定化，不过为了匹配(Matching)各LED的电气特性，电路中特别设置了一组BaLLast电阻。

　　图3(b)中的MAX1910属于定电流输出型的电压ReguLator，虽然本电路使用同厂商、同批号(Lot)的白光LED，获得了极佳的匹配性，不过，在使用不同厂商与批号的LED时，就会出现很大的特性差异分布。本电流Regu-Lator使用类似图3(a)的方式控制驱动电流，不过它却可以使BaLLast电阻的消费电力降低一半左右。

　　图4(b)的测试结果显示，流入六个随机取样白光LED的电流，从15.4mA到19.6mA，变化范围非常大。因此，A厂商与B厂商两者的LED是以平均17.5mA的电流驱动。此电路的缺点是BaLLast电阻造成的电力损失有残留之虞，而且又无法获得LED电流的匹配性;不过整体而言，本电路兼具动作特性与简洁性，所以具有相当程度的使用价值。

　　2.3 使用输出型的MuLti　PuLL电流Regu-Lator的驱动方式

　　图3(c)的电路可以使流入LED的电流各自稳定化，因此不需要使用BaLLast电阻，电流的精度与匹配性ReguLator则由各自的电流ReguLator支配。

　　图3(c)中的MAX1570　IC可以使上述电流ReguLation达成2%标准的电流精度，与0.3%标准的电流匹配性等目标。

　　由MAX1570　IC构成的电流ReguLator为低Drop　Out　Type，因此它的动作效率非常高。图4(c)的测试结果显示，使用图3(c)的驱动电路时，流入六个随机取样白光LED稳定化的电流为17.5mA。

　　虽然ReguLator与LED之间需要四个连接端子，不过此电路不需要BaLLast电阻，所以可以有效抑制封装面积，因此非常适合应用在封装空间极为狭窄的小型液晶面板等领域。

　　2.4 使用升压型电流ReguLator驱动的方式

　　图3(d)的电路是利用可以使电流稳定化的电感(Inductor)，构成所谓的高效率Step　Up　Converter。本电路的最大特点是　Feed　Back　ThreshoLd电压，可以减少电流检测用电阻的电力损失。此外，LED采用串联方式连接，所以流入白光LED的电流即使是在各种要求下，都能够与LED完全取得匹配。

　　有关电流的精度基本上取决于Regu-Lator的Feed　Back　ThreshoLd精度，因此不会受到LED顺向电压的影响。

　　由MAX1848与MAX1561　IC构成的电流ReguLator的效率(PLED/PIN)分别是：三个LED+MAX1848，87%;六个LED+MAX-1561， 84%。

　　Step　Up　Converter的另一优点是Regu-Lator与LED之间需要两个连接端子，而且LED的使用数量不会受到Step　Up　Converter种类的影响，这意味着设计者会拥有更大的选择空间。因此，Step　Up　Converter广泛应用在各种尺寸的液晶面板;电路的缺点是电感外形高度、组件成本偏高，有EMI辐射干扰。

3　结束语

　　以上介绍了白光LED常用的驱动电路，并通过实验方式深入探讨了各电路实际运行时的优缺点和特性。由于LED结构的限制，因此会有波长与驱动电流精度不易控制等困扰，随着白光LED背光模块应用需求的不断增加，如何改善上述波长与电流精度问题，同时降低驱动电路的制作成本，成为必须克服的问题。