白光LED的并联和串联驱动

目前，PDA、移动电话和数码相机等便携式电子设备已逐步过渡到了彩色LCD显示屏，因此越来越多的产品需要背光源。白光LED被普遍用作便携式电子设备LCD的背光源，原因是它们的复杂程度较低、成本低且尺寸小于CCFL背光源。单色LCD可以使用电致发光背光源或LED作为背光源，而彩色显示器则需要白光背光源以正确显示色彩。目前主要有两种方法提供白光背光源：白光LED和CCFL(冷阴极荧光灯)。CCFL在笔记本电脑中已经应用了很多年。但考虑到光源尺寸、复杂性及成本优势，白光LED已成为小型便携式电子设备中彩色LCD的首选背光源。

白光LED只需较低的直流电压(3～4V之间)，可以采用简单的基于电感或电容式开关变换器供电。相反，CCFL则需要很高的交流电压(200URMS～500URMS)供电，且其成本高、体积大，需采用基于变压器的电路。红光LED和绿光LED的正向压降为1.8～2.4V(典型值)，一些常用电池即可提供足够高的电压以用来直接驱动这些LED。然而，白光LED的正向压降为3～4V(典型值)，故其通常需要一个独立电源供电。白光LED的光强与流过白光LED的电流有关，电流越大光强越高。通常白光LED满亮度输出时的电流大约为20mA。数码相机和移动电话一般需要2～3个白光LED作为彩色LCD的背光源，PDA一般需要3～6个白光LED作为彩色LCD的背光源。白光LED可以通过并联或串联方式驱动。并联方式的缺点是白光LED电流及亮度不能自动匹配。而串联方式虽然可以保持固有的匹配特性，但需要较高的驱动电压无论是并联方式还是串联方式，大多数便携式电子设备的电池电压都不足以驱动白光LED，所以需要升压变换器。电荷泵变换器是利用电容实现电压转换的，其尺寸小、成本最低。但是电荷泵变换器只能输出为输入电压一定倍数的电压(如1.5倍压模式、2倍压模式)。因此，串联白光LED通常需要用电感式开关变换器来实现更高的升压比，而且电感式开关变换器能够在较宽的输人电压范围内保持高效率。

在绝大多数应用中，单个白光LED是不够的，需要同时驱动几个白光LED，因此必须采用具有亮度控制电路的驱动器，以确保它们的发光亮度和色彩一致，并且即使是电池放电或其他条件变化时，也要保证各白光LED的发光亮度一致。

图1给出了一组随机挑选的白光LED的电流、电压曲线，在这些白光LED上加载3.3V电压(上端虚线)会产生2～5mA范围的正向电流，使其发出不同亮度的白光。白光LED要求高于3V的驱动电压，若低于该电压，几个白光LED可能会完全变暗。

图1中的曲线显示了不同白光LED的电流、电压特性之间有相当大的差异，甚至是从同一产品批次中随机挑选的白光LED也存在差异。因此，用恒定的3.3V(上端虚线)驱动这样几个并联的白光LED会产生不同亮度的白光。

图1 白光LED的电流一电压曲线

1.驱动并联白光LED

锂离子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其值会下降到标称的3.6V电压。由于锂离子电池放电，其输出电压会进一步下降到3.0V。如果白光LED直接由锂离子电池驱动，则会产生的问题是：当锂离子电池充满电时，所有的LED都被点亮，但会具有不同的光强和色彩。当锂离子电池电压下降至其标称电压时，LED光强减弱，并且白光间的差异变得更大。因此，在实际设计中必须考虑锂离子电池电压和LED正向电压的数值，且需要计算串联限流电阻的阻值。由于锂离子电池能量会随着放电时间延长而减少，故部分白光LED将会完全熄灭。如图2所示是驱动并联白光LED的三种电路，三种电路调节白光LED电流的方法如下。

图2 驱动并联LED的三种电路

①独立调节流过每个白光LED的电流。

②只调节电源电压，依靠白光LED的一致性和串联限流电阻使电流匹配。

③调节流过一个白光LED的电流，依靠白光LED的一致性和串联限流电阻使其余的白光LED电流得到匹配。

(1)独立调节流过每个白光LED的电流

①集成白光LED电流调节器。若采用一个独立电源驱动白光LED的正向导通，那么只需设计电流控制电路，以提供在白光LED满亮度时所需的驱动电流。

如图3所示电路是利用MAX1916以恒定电流驱动3个白光LED的电路，它是白光LED亮度匹配的低成本解决方案G在该电路中将电流设置在所要求的白光LED最大亮度电流与最大额定电流之间;为了保持各白光LED的亮度一致，电流必须有较好的匹配度，典型的电流匹配度为0.3%;设定电流精度为±10%;设定每路输出的压差小于410mV，以保持20mA的电流。这样只需4.2V即可驱动3.8V的白光LED;将白光LED引脚电流设为流人SET引脚电流的230倍;为给SET引脚提供偏置电流，把RSET连接到SET引脚，利用大于1.215V的电压为SET引脚提供偏置电压。采用MAX1916驱动白光LED的三种电流调节电路如4所示。

图3 MAX1916以恒定电流驱动3个白光LED的电路

图4 MAX1916驱动白光LED时的三种电流调节电路

方法一：用DAC驱动RSET端，如图4(a)所示。白光LED电流是DAC输出电压减去SET引脚偏置电压的函数。DAC可以选用50723封装的低成本MAX5360～MAX5365系列IC。

方法二：利用控制器的I/0引脚控制多个电阻，可组成一个简易的亮度调节器，如图4(b)所示。将控制引脚在高态(ON)和低态(OFF)之间切换，以得到所要求的SET引脚电流。

方法三：利用逻辑电平PWM信号驱动EN引脚，如图4(c)所示。许多处理器的端口都能提供占空比为0～100%的低频PWM信号。MAX1916的EN引脚的响应时间允许PWM运行在高达2kHz左右的频率下。

②集成电荷泵升压电源与电流调节器。低成本的MAXI 574/MAX1575/MAX1516Y电荷泵结合了升压和电流调节功能，这些器件具有较高的输出电流、很好的电流匹配度及较高的工作效率，并可提供自适应模式切换、过压保护，可驱动8个白光LED。

自适应切换电路主要用于对输入电压进行检测，并确定效率最高的升压比(如1倍压模式、1.5倍压模式或2倍压模式)。该电路利用一串脉冲码，通过EN使能引脚，可以调节白光LED的亮度(相当于设置电流的百分比)。

采用MAX1574电荷泵驱动白光LED的电路如图5所示，该电路能够以高达180mA的电流驱动3个白光LED。1MHz的开关频率允许电荷泵使用小尺寸陶瓷电容。采用MAX1576Y电荷泵驱动白光LED的电路如图6所示，该电路能够以高达480mA的总电流驱动两组(每组4个白光LED)白光LED。对于处于闪烁状态的白光LED组，该电路允许每个白光LED电流达到100mA。每组白光LED具有独立的电流设置、脉冲亮度调节和两线亮度控制。利用自适应开关，在单节锂离子电池的整个放电过程中，电路的平均效率可以达到83%。对于使用白光LED闪光灯的数码照相机，选用MAX1576Y构成白光LED驱动电路是理想的选择。

图5 MAX1574电荷泵驱动三个LED的电路

图6 MA1576Y电荷泵驱动两组LED的电路

MAX1575是该系列产品的另一款芯片，它能够以120mA的总输出电流驱动两组白光LED(4个主屏白光LED和2个子屏白光LED)。

(2)采用稳压输出电源驱动电路

采用稳压输出电源驱动电路与独立调节流过每个白光LED的电流方法相似。使用稳压输出电源的方法非常经济，但其电流调节精度不如独立调节流过每个白光LED的电流方法。由于使用稳压输出电源方法不能实现稳流，所以流过每个白光LED的绝对电流必须保持在所要求的最大亮度电流与白光LED最大额定电流之间。电流匹配度必须足够好，以便保持亮度均匀。采用稳压输出电源驱动白光LED时、流过白光LED的电流可由稳压电源的输出电压(UOUT)减去白光LED正向电压(UD)，然后除以R确定。

如图7 所示为典型便携式电子设备中两个白光LED的I-U特性曲线。在相同电流下，两个白光LED的电压并不相等。如图8所示为白光LED的电压差与电流的函数关系。

图7 两个白光LED的I-U曲线

图8 白光LED的电压差与电流的对应关系曲线

针对白光LED正向电压的匹配度对电流匹配度的影响，可利用式(2-9)计算流过两个白光LED电流的比值，为

式(2-9)可简化为

当输出电压UOUT非常高时，式(2-10)的结果趋于1。因较高的输出电压UOUT有助于得到较好的电流匹配度，故电阻R必须与UOUT-UD成比例增大，以便保持恒定电流。较高的输出电压UOUT会使电阻R上消耗的功率增大。为此在电路设计时需要折中选择电路效率和电流匹配度。

例如，以5V电源驱动3.60V的白光LED，电阻R上的电压为1.40V若换成3.42V的白光LED，则R上的电压将增加到接近1.58V，白光LED电流将增加13%。需要注意的是，此时的白光LED电压仅有5%的变化。

①绝对精度。使用稳压输出电源驱动白光LED的电流的绝对误差可通过用式(2-8)计算出电流I后，再利用UD，与ILED的关系曲线(图8)进行计算。将与所期望的工作电流I对应的UD标称电压及所选择的UOUT代入式(2-8)，可以解得电阻R值。得到电阻R值后，再利用白光LED数据资料中最差条件下的UD求解式(2-8)。此时需考虑温度变化对UD的影响，这样就能够得出白光LED电流的范围，电流必须小于白光LED的最大额定值。

②亮度调节。在稳压输出电源驱动电路中，可通过改变UOUT来调节白光LED电流。在使用同一电源时，并不推荐这种方法。可供选择的是用MOSFET与开关电阻并联组成简单的亮度调节器，如图9所示。但是，当需要多级亮度调节时，这种方法的成本将急剧增高。这时应考虑采用集成方案或串联驱动方式，并用MOSFET控制与R1b～R3b并联的电阻R1a～R3a以进行亮度调节。

图9 MOSFET与开关电阻并联组成简单的亮度调节器电路

(3)稳流输出变换器

在采用稳流输出变换器驱动白光LED的电路中，流过其中一个白光LED的电流通过电阻R1检测，并由变换器调节该电流。变换器的类型可以是电感式开关变换器，也可以是电荷泵或线性稳压器。白光LED电流方程与式(2-8)相同，但条件不同，这里稳定的是I1，而不是输出电压UOUT，公式为

式中，UFEEDBACK为反馈电压。

由于只调节了一个白光LED的电流，则其余白光LED的正向压差会导致电流误差的产生，改进后增大R1，的电路如图10所示。因为电流必须保持恒定，故可将R1分为R1a和R1b。R1b控制电流，R1a控制输出电压，可达到所要求的电流匹配度。将R1=R1a+R1b代人式(2-8)，将R1=R1b，代入式(2-11)。为使电流匹配，将R2和R3，设置为R2a+R2b，R3a+R3b。为此采用稳流输出变换器的电路的电流匹配通过增大R1a得到了改进。

图10 增大R1的改进驱动电路

如图11所示电路为利用MAX1910/MAX1912电荷泵实现LED电流调节的电路。在图11中增加了亮度调节电路，且所有白光LED共用一个检测电阻、以便调节总电流。为提高效率，控制器有1.5倍压和2倍压升压模式可供选择。电路可提供高达120mA的输出电流，这具体取决于输入电压。

图11 利用MAX1910/MAX1912电荷泵实现电流调节的电路

驱动串联白光LED时，由于流过每个白光LED的电流相同，故可以获得均匀的亮度。串联驱动的缺点是驱动电压为各白光LED正向压降相加之和，驱动器的输出电压幅值应满足LED串联后所需的驱动电压。这种串联配置需要使用电感式升压开关变换器，以便在高压时获得高效率。在选择这种类型的变换器时，必须考虑LX引脚的额定输出电压。

表1给出了几款电感式升压开关变换器Lx引脚的额定电压及可以驱动的串联白光LED的数量。LX引脚的最大额定电压与白光LED串联后的最大电压之间需要保留一定的安全裕量，以允许过压关断。

表1 选择适当器件驱动所要求的串联LED

如MAX8596Z是专为驱动多达8个串联白光LED设计的电感式升压开关变换器，MAX8596Z的应用电路如图12所示。该器件具有2.6～5.5v的输入电压范围，允许单节锂离子电池或三节NiCd/NiMH电池为IC供电。MAX8596Z采用了节省空间的8引脚TDFN封装，且工作于1MHz频率的PWM方式，困此它允许选用小巧的外部元件。MAX8596Z具有32～36V的过压锁存门限，当出现白光LED开路时能够有效保护IC。另外，器件还具有高温降额功能，当温度超过+42℃时输出电流会降低，以便减小白光LED的功耗。

可用任意直流电压或未经滤波的PWM信号驱动MAX8596Z的CTRL引脚，以实现白光LED电流的调节。0.24～1.72V的CTRL引脚电压可驱动从最暗到满亮度的白光LED。超过1.72V时，输出电流被钳位在最大值。采用200Hz～200kHz的PWM信号时，误差信号放大器的补偿电容可用做PWM信号滤波，如图12所示电路不需要输入滤波器。

图12 用MAX85962开关调节器驱动8个白光LED的电路