LED串联与并联特性分析

在串联配置中，LED的数量受驱动器的最高电压限制，若最高电压为40V。在串联配置中根据白光LED的正向电压，这一最高电压最多能够驱动10～13只白光LED，驱动电流的范围是连续状态的10～350mA。随着科学技术的发展，LED技术也在不断发展，为我们的生活带来各种便利，为我们提供各种各样生活信息，造福着我们人类。

1.LED串联配置

这种配置的优势是串联的白光LED可以用单线传输电流。缺点则是：当PCB空间受限时(特别是高功率时)，铜导线上的电流密度是个问题，而且如果在串联模式中一只白光LED发生故障，所有白光LED都将熄灭。但是，从设计角度看，如果有n只白光LED，就要将电池电压提升到n×VF，所以必须采用升压结构，可以利用电感元件精确地监控电流斜率，从而限制了非受控瞬间电流产生的EMI，典型升压拓扑结构如图1所示。

2.LED并联配置

在并联配置中，特定阵列中的白光LED数量受到驱动器封装水平和连接器引脚数量的限制，另外，在白光LED并联时，必须对每只白光LED进行电流控制，以确保各白光LED之间的匹配非常适合特定应用。实际上，两只白光LED电流不一致超出10%以上，将影响彩色LCD的显示图像的质量(白光LED作为LCD的背光源)。此外，并联配置能够利用电荷泵技术，用2个陶瓷电容将能量从电池传输到白光LED阵列。基于电荷泵的LED驱动器框图如图2所示，基于电池和专用电流源进行能量转换和调节的电荷泵，在进行电流源优化设计后可使白光LED电流不受正向电压和输入电源变化的影响。

3.LED串联与并联驱动电路比较

LED驱动电路拓扑有升压变换器或电荷泵两种电路拓扑可供选择，选择的重点是考虑两种解决方案所有具体因素。基于电荷泵的白光LED驱动电路一个重要的参数是LED驱动器产生的噪声，因为电容器要进行充放电，所以电荷泵是大电流毛刺的来源。如欲减少这种影响，则必须设置高性能的输入滤波电路。基于电感式升压变换器的白光LED驱动器，由于存在电感，会引起电磁干扰(EMI)。通常情况下，改变开关频率可减少干扰，但是频率值取决于变换器的工作条件。

采用TPS60230电荷泵驱动白光LED典型应电路如图3所示，TPS60230由锂离子电池直接供电，典型输入电压范围为3.0～4.2V，可同时为最多5只白光LED供电，每只白光LED电流为20mA。

采用TPS61062升压变换器驱动白光LED典型电路如图4所示。图4所示的升压变换器是IC技术的最新开发成果之一，作为全面集成的同步升压变换器，无需外接肖特基二极管就能够实现尺寸最小的解决方案，所需的外部组件数量最少。

(1)电荷泵与升压变换器效率比较

图3与图4所示的驱动白光LED解决方案，几乎很难说那一种解决方案就是一个高效的解决方案，这是因为整体效率取决于白光LED正向电压、锂离子电池放电特性以及白光LED电流等具体应用参数。对于基于电荷泵的解决方案的典型效率曲线如图5所示。当变换器工作在1倍压模式情况下时，增益为1，输入电压范围从4.2V降至3.6V不等，效率水平高于75%。在1倍压模式中，电荷泵的作用就像LDO一样，输入电压经稳压降至白光LED正向电压，通常为3.1～3.5V。LDO模式的另一优点是，开关器件不工作在开关状态，因此可以避免EMI问题。

但是，根据LED正向电压以及驱动器IC内部电压下降的情况不同，在驱动器从“LDO模式”转为升压模式(boostmode)而增益为1.5倍压时，效率会大幅下降。在升压模式下，开关器件工作在开关状态，输出电压为输入电压的1.5倍，这需要进行调节，以降至白光LED所需正向电压的水平，这就降低了效率。因此，驱动器工作在LDO模式下的时间越长，电荷泵效率就越高。

与电荷泵解决方案不同，升压变换器TPS61062解决方案的典型效率曲线如图6所示。在锂离子电池的整个输入电压范围下效率均达到75%～80%。某些升压变换器解决方案在使用外部校正二极管的情况下其效率甚至高达85%，若采用TPS61042驱动白光LED少于5只，那么效率还会提高，因为输入到输出电压转换比较低。总体说来，升压变换器的效率比电荷泵解决方案略高，特别是驱动4只以上白光LED时更是如此。

(2)电荷泵与升压变换器占板面积比较

过去，电荷泵解决方案在占板面积方面有明显的优势，这主要是由于升压变换器采用较大的电感器和外部肖特基二极管。随着最新技术的发展以及更高的集成度，升压变换器的解决方案尺寸大小也达到与电荷泵解决方案大致相当的水平。由于电荷泵驱动器所需的引脚数量较大，因此器件封装也相应较大，需要两个外部泵电容，在这种情况下，电荷泵解决方案的占板面积大小与升压变换器相当甚至还要再大些。

如果将升压变换器的开关频率上升至高达1MHz，就能使用小型的电感器和小容量的输出和输入电容。如TPS61062器件可由内部控制回路控制电感器电流，在正常工作时小于最大交换电流。这就可采用较小的电感器，其最大额定电流刚好达到电感器的最大峰值电流。例如，向4只白光LED供电时，饱和电流为200mA的电感器就足够了。如果没有特定的内部环路设计，电感器饱和电流必须为400mA额定值，这就要求更大的电感器，而导致更大的占板面积。

(3)电荷泵与升压变换器组件高度比较

当组件高度小于1mm的情况下，基于电感器的升压变换器将失去优势，因此当需要组件高度必须小于1mm时，电荷泵解决方案是更好的选择。

(4)电荷泵与升压变换器EMI比较

在考虑到EMI问题时，应分析升压变换器电感器带来EMI问题。通常说来，可能的电磁辐射不会是大问题，因为RF敏感区周围的电感器是屏蔽的，电感式升压变换器造成EMI问题的原因有，输入和输出电压滤波不足而产生的传导干扰;印刷电路板(PCB)布局或布线不合理而产生的电磁干扰。

在锂离子电池供电的电子设备中，带有脉动输入电流的白光LED驱动器，其输入端是直接连接至电池电极端，由于RF部分也由电池供电，因此白光LED驱动器输入端的开关噪声也存在于电池连接处，同时也存在于RF电路的输入端，这会导致严重的干扰。为了明确哪种白光LED驱动器解决方案在传导EMI方面的性能更好，应比较升压变换器与电荷泵解决方案的输入电压纹波。

一种评估解决方案的办法就是用频谱分析仪检查输入端，如果器件以固定的开关频率工作，那么频谱将显示基波的开关频率及其谐波。

为了将RF部分的干扰降至最低，基波频率及其谐波应尽可能高，振幅则应保持较低。这是因为变换器的开关频率会与发射机的载频相混合，使边带也有载频。边带出现在发射机的输出频带中，刚好比发射机频率高或低一个开关频率。开关频率越低，边带离载频就越近，可降低发射机的信噪比。开关频率越高，边带离载频就越远，并加大发射机的信噪比。当然，变换器开关频率基波的振幅越低，信噪比就越高。正因为如此，固定的变换器开关频率等于及高于1MHz时，通常适合大多数应用的要求。

在相同设置下，电荷泵解决方案的输入纹波电压是升压变换器解决方案的两倍。这是由于电荷泵工作于1.5倍压模式下会产生几乎为方形波的输入电流。作为输入滤波器，电荷泵只有输入电容。而升压变换器带有电感及输入电容，可更好地完成输入滤波器工作，从而实现较低的输入电压纹波。为了进一步降低输入电压纹波，在采用升压变换器以及电荷泵解决方案时最有效的方法就是增加输入电容的值。对于非常敏感的应用，还可考虑增加额外的LC输入滤波器或采用较小的铁氧体磁珠。可以清楚地看到，电荷泵解决方案满足不了所有的应用，升压变换器解决方案也是如此。

选择解决方案时要根据具体的最终应用要求及关键参数来考虑。此外，电荷泵解决方案在EMI方面并不优于升压变换器解决方案。虽然LED在生活中处处可见，但是LED也还有一些不足需要我们的设计人员拥有更加专业的知识储备，这样才能设计出更加符合生活所需的产品。