1.白光LED 的光电热特性和驱动要求

(1)白光LED 的光电热特性。

白光LED 的特殊结构决定了其特殊的光电热特性。首先,白光LED 为直流驱动,施加正向电压时导通。其发光强度正比于正向工作电流。但白光LED 的正向电压UF 非常高(目前多为3.6～4.5V),且本身具有一定的波动范围,电源电压变动会影响白光LED 的亮度。其次,白光LED 在工作时,其PN 结会产生一定的热量,使PN 结的工作温度升高,出现光衰。当周围环境温度一旦超过50℃,白光LED 的允许正向电流会大幅降低,在此情况下如果施加大电流,很容易造成白光LED 老化。为了减缓白光LED 的老化速度,必须根据周围温度调整电流的供给,同时,驱动电路要有良好的散热措施；否则,白光LED 将无法正常使用。

(2)白光LED 驱动器的要求。

为了达到一定的光照度,实际应用中,需要把多颗白光LED 组合起来使用。在大多数应用中,白光LED 通过并联或串联方式连接在一起,但在个别情况下也可采用混合的串、并联配置方式。为了使白光LED 能稳定地工作,且不受电压UF 波动以及电源电压波动的影响,必须使用专门为驱动白光LED 而设计的DC/DC变换器。

白光LED 驱动器可以看作是向白光LED,供电的特殊电源,可以驱动正向压降为3.0～4.3V 的白光LED,并根据需要驱动串联、并联或串并联的多个白光LED,满足驱动电流的要求。不同的用途对驱动器的要求有所不同,一般白光LED 驱动器应具备如下特点：

①驱动器应有升、降压功能。

对于市电供电的白光LED,驱动器应有降压功能,以保证白光LED 得到合适的稳定工作电压；对于电池供电的白光LED(如便携式产品),驱动器应有升压功能,以满足1～3节充电电池或1 节锂离子电池供电的要求,并要求在电池终止放电电压之前,都能为白光LED 提供合适的稳定工作电压。

②高功率转换效率和低功耗。

无论是车载、便携还是手持电子设备的设计,电源效率都是一个不可忽视的重要问题。驱动器应有高的功率转换效率,以提高电池的使用寿命或两次充电的时间间隔。目前驱动器的转换效率有的可高达80%～90%,一般可达到60%～80%。且驱动器功耗低,静态电流小,并且有关闭控制功能,在关闭状态时静态电流一般应小于1μA。

③电流匹配和亮度调节。

白光LED 的发光强度取决于其正向工作电流,在多个白光LED 并联使用时,要保证其电流的一致性,这就要求驱动器具有电流匹配功能,这样才能使白光LED 亮度均匀。不同的环境对光源亮度的要求有所不同,驱动器应具有亮度调节功能。白光LED 的最大电流ILED可设定,使用过程中可调节白光LED 的亮度。一般白光LED点亮时至少需要15mA 的电流IF,不过周围环境很暗时,往往不需作全开驱动,此时可控制驱动电流而改变白光LED 的亮度,进而降低白光LED 的耗电量。这对使用电池的便携电子产品而言是非常重要的节能技术。有关驱动电流控制技术常用的方法是利用PWM 信号进行控制,由于PWM 信号可使开关变换器开或关,因此它可使白光LED 的亮度稳定化,同时还可以确保电池长时间的动作特性。

④完善的保护电路。

驱动器内部应设置各种保护措施,用以保护自身和白光LED 可靠地工作。例如,驱动器内部普遍设置有低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护等电路。

⑤噪声小、抗干扰能力强。

驱动器的噪声会干扰其他电路的正常工作,同时,会形成噪声；另外,驱动器也会受到其他电路的干扰。因此,为了保证系统的优良特性,驱动器应具有噪声小、抗干扰能力强的特性。例如,白光LED 作为LCD 背光照明时,对驱动器的噪声和抗干扰能力要求就比较高。

⑥封装合理、经济方便。

封装工艺和材料要保证高效节能,并有良好的散热措施。尽可能小尺寸封装,并要求外围组件少而小,使所占印制板面积小,以满足使用方便、价位低廉的要求。

2.白光LED 驱动器的类型白光LED 需直流驱动工作,并且供电电源所能提供的直流电压高低不同,因此,白光LED 驱动器应采用升压、降压或升降压式DC/DC变换器驱动电路。直流驱动一般有恒压和恒流两种驱动方式。所谓恒压驱动,无非是采用阻、容降压,然后加上一个稳压二极管稳压,或用开关电源方式,向LED 供电。恒压驱动LED 的方式存在效率低、亮度稳定性差等缺陷,一般在要求较低的场合使用。LED 的驱动最好的办法是采用恒流驱动,恒流电源可消除正向电压变化所导致的电流变化,产生恒定的LED 亮度。

(1)恒压驱动器。

图3.22　恒压驱动器的基本结构

恒压驱动器的优点是成本低、封装小、外围器件少,缺点是在某些应用条件下效率低,而且只能完成降压的功能。恒压驱动器的基本结构如图3.22所示。它的基本组成部分包括：基准电压源、电压误差放大器、PMOS调整管、比例电阻R1 和R2。通常驱动电路中还有过温保护电路,当温度高于一定的值时自动关断。当VOUT值过高时,A 点电压上升,从而B 点电压也上升,因此流过R1 和R2 的电流会下降,所以VOUT值会下降。

(2)电荷泵(电容式恒流驱动器)。

电荷泵以电容器作为储能元件,利用分立电容将电源从输入端传送至输出端,整个过程不需要使用任何电感。电荷泵电源的体积很小,设计也很简单。选择元件时通常只需根据元件规格从中选择适当的电容。电荷泵驱动器以其静态电流小、芯片面积小、无EMI噪声等优点,广泛地应用于各种便携式设备中。

电荷泵解决方案的主要缺点是只能提供有限的输出电压范围。绝大多数电荷泵的输出电压最多只能达到输入电压的两倍,这表示输出电压不可能高于输入电压的两倍。因此,若想利用电荷泵驱动一只以上的白光LED,就必须采用并联驱动的方式。而利用输出电压进行稳压的电荷泵驱动多只白光LED 时,必须使用限流电阻来防止电流分配不平均,但这些电阻会降低电池的使用效率。

电荷泵白光LED 驱动器分为电压输出型和电流输出型。电压输出型电荷泵电路最为简单,主要用在对亮度稳定性要求不高的场合。白光LED 以恒流供电,有利于抑制电源电压变动所造成的不利影响,电流输出型电荷泵是目前白光LED 驱动器的最佳选择。近年来,电荷泵式驱动器可输出的电流已从几百毫安上升到1.2A,并且转换效率也得到了很大提高。

电荷泵变换器电路中的模块有：开关阵列、逻辑电路和比较器。其结构如图3.23所示。一开始,S2 和S3 闭合,S1和S4 断开,VIN 对电容充电,然后S1 和S4 闭合,S2 和S3 断开,电容器的上极板作为输出,这样,VOUT=2VIN。图中的控制器是根据输出电压的大小来控制开关的断开和闭合,以保证输出电压稳定。

图3.23　电荷泵电容式DC/DC变换器

目前,电荷泵变换器产品类型很多。例如,LM2794就是一种用作背光源的电流输出型电荷泵。LM2794以电流镜作为输出级,因而可以省去限流电阻,但会增加器件的功耗。LM2794 具有四路电流输出,每路为20mA。若欲调整白光LED 的亮度,仍可在其关断控制端加入脉宽调制信号,也可采用引入外部电流的方式改变其反馈阈值。该器件的电源电压范围为2.7～5.5V,电压超过4.7V 时会自动切换内部电路,改以“直通”方式工作。该切换阈值也有250mV 左右的回差以防输出纹波恶化。值得一提的是,该器件的外形尺寸仅为2mm×2.4mm×0.84mm,是同类器件中体积最小的。

(3)电感式驱动器。

基于不同的外围拓扑结构,电感式驱动器可以分为升压型电感式DC/DC 变换器、降压型电感式DC/DC变换器和反转型电感式DC/DC 变换器。升压型电感式DC/DC 变换器的原理图如图3.24 所示。图中方框代表控制器IC,它不仅集成了控制逻辑,还把开关管VT 集成在里边,有时甚至将开关二极管VD(有的IC 资料称之为同步整流器,简称为整流管)也集成在一起,使得外接元件数量很少,电路组成十分简单。但如果所驱动LED 的功率太大,就要把开关管VT 和开关二极管VD 放在外面,而只把开关管的栅极驱动器集成在里边。

电感式驱动电路以电感器作为储能元件,大多数电感式解决方案都是采用升压式DC/DC 变换器作为白光LED 驱动器。有电感的升压式DC/DC 变换器可输出较大的电流。事实上,以电感器作为储能元件的电感升压式开关变换器,在电压提升的效能方面优于电荷泵式变换器,可以输出更高的直流电压,方便白光LED 的串联驱动。用作白光LED 驱动器的升压型电感式DC/DC 变换器多为电流输出型,电感式驱动电路体积小、效率高,适合为绝大多数便携式电子产品提供更长的电池使用时间。在应用中可以调整电感式变换器的效率,以便在体积和效率之间取得最佳平衡。

图3.24　升压型电感式DC/DC变换器原理图

目前,升压型电感式DC/DC变换器产品类型很多。实际应用中,储能电感通常仍需外接。例如,LM2704和LX1993就是两款实用产品。LM2704可以在2.2～7V电压范围内工作,最高输出电压为20V,输出电流为20mA,可驱动两路共计八只白光LED。LM2704 的特点在于片内功率开关峰值电流可达0.5A,导通电阻仅为0.7Ω,故而电源变换效率较高,同时易于解决小型封装器件的散热问题。LX1993能以20mA 的输出电流驱动单路四只白光LED,其优点在于电源电压可以低至1.6V。

3.白光LED 驱动器的集成器件举例

前面提到的电容式和电感式白光LED 驱动器电路因为输入和输出之间并无隔离,所以统称为非隔离型电源变换器。输入是较低的直流电压,输出则是较高的直流电压,并以恒流方式供给LED,使之发光。

下面给出几种常用的非隔离型集成白光LED 驱动器芯片。

(1)恒定电流LED 驱动器LT1932。

LT1932 是一款固定频率升压型DC/DC 转换器,其专为用作一个恒定电流源而设计。由于它直接调节输出电流,因此LT1932 非常适合于驱动发光二极管(LED),此类二极管的光强与流经它们的电流成比例,而不是与其端子上的电压成正比。其内部结构如图3.25所示。

图3.25　LT1932内部结构图

由于输入电压VIN范围为1～10V,所以该器件可采用多种输入电源供电运作。LT1932 即使在输入电压高于LED 电压时也能准确地调节LED 电流,从而极大地简化了用电池作为电路供电电流的设计。

图3.26给出了使用LT1932驱动四个白光LED 的实例。外部电阻器RSET负责把LED 电流设定在5～40mA 之间,在芯片的第5脚输入一个DC电压或一个脉宽调制(PWM)信号,对输出电流进行调节。当LT1932的第5脚输入为低电平时,芯片处于停机模式,LED 与输出实现断接,从而确保整个电路的静态电流低于1μA。

图3.26　LT1932驱动四个白光LED

这款器件使用1.2MHz开关频率,应用电路中的电感和电容允许使用轻薄型的贴片封装,以在对空间敏感的便携式应用中,将器件的占板面积和成本降至最小。

(2)高效率升压型DC/DC电荷泵TPS60110。

德州仪器公司生产的TPS60110是升压型DC/DC 电荷泵,可产生(5±4%)V 的输出电压,输入电压的范围为2.7～5.4V(三节碱性、镍镉或镍氢电池；一节锂或锂离子电池),当输入3V 电压时,输出电流可达300mA,仅仅需要四个外接电容,即可构成一个完整的低噪声DC/DC转换器。为确保电流连续输出时产生非常低的输出电压纹波,两个单端电荷泵采用推挽工作模式。当输入为3V 时,TPS60110满载启动,负载电阻为16Ω。

TPS60110采用恒定的开关频率,使产生的噪声和输出的电压纹波最小；同时还采用节电的脉冲跳过(pulse-skip)模式来延长轻负载下电池的使用寿命。TPS60110的开关频率为300kHz,逻辑关闭功能使供电电流减小到1μA(最大值),并且负载从输入端断开。特殊的电流控制电路可防止启动时从电池吸收过多的电流。该DC/DC转换器无须外接电感,并且电磁干扰非常低。(www.daowen.com)

TPS60110内部结构如图3.27所示。当输入电压为2.7～5.4V 时,TPS60110电荷泵输出5V 的稳定电压,并产生最大值为300mA 的负载电流。TPS60110专为对电路板面积要求较高的电池供电应用设计,整个电荷泵电路只需要四个外接电容。经优化配置,该电路可以达到轻负载时的最高效率或实现最低输出噪声。TPS60110含有一个振荡器、一个1.22V 的带隙基准、一个内部电阻反馈电路、一个误差放大器、几个高强度电流MOSFET 开关、一个关断启动电路以及一个控制电路。

图3.27　TPS60110内部结构图

TPS60110中振荡器的占空比为50%,两个单端电荷泵相位相差180°。每个单端电荷泵在振荡信号的半个周期内,如电荷泵1的T12、T13接通,输入电压V 向电容C1F充电,将电荷转换到转换电容C1F中,C1F上电压可达到VIN；在另半个周期内,T12、T13断开,T11、T14接通,此时VIN与C1F上的电压串联向输出电容CO(输出电容CO 是接在芯片OUT 端和地之间的一个电容,如图3.28、图3.29所示)充电。一个单端电荷泵处于充电周期时,另一个则处于传输周期。这种操作产生两个几近恒定的输出电流,以确保低输出纹波。如果时钟是连续的,则输出电压VOUT等于2倍的输入电压VIN。

在启动期间,当ENABLE 从逻辑低电平设置为逻辑高电平时,开关T12与T14(电荷泵1)、开关T22与T24(电荷泵2)对输出电容充电直到输出电压VOUT达到0.8VIN。若启动比较器检测到该极限,器件开始在SKIP 与COM 引脚选择的模式下工作。在启动时对输出电容充电,可以缩短启动时间,并且可以不必在IN 端与OUT 端之间连接一个肖特基二极管。

为产生5V 的固定输出电压,TPS60110采用脉冲跳过模式或恒定频率模式。通过SKIP输入引脚,在外部可选择脉冲跳过模式或恒定频率模式。

·脉冲跳过(pulse-skip)模式：在脉冲跳过模式(SKIP为高电平)中,误差放大器在检测到高于5V 的输出电压时将禁止功率级的转换,振荡器暂停,器件则跳过转换周期直到输出电压回落到5V 以下,然后误差放大器重新激活振荡器,并且功率级的转换再次开始。

在脉冲跳过模式中,因为它不会连续转换而且在输出电压高于5V 时,这种模式会禁止除带隙基准与误差放大器之外的所有功能,在禁止误差放大器转换时,负载也被从输入端隔离,所以这种模式下可以使工作电流最小。SKIP是逻辑输入端,不应悬空。

TPS60110在脉冲跳过模式中的典型应用电路如图3.28所示。

图3.28　TPS60110在脉冲跳过模式中的典型应用电路

·恒定频率模式：当SKIP管脚接低电平时,电荷泵以振荡器的工作频率fosc持续工作。从误差放大器馈送的控制电路通过驱动T12/T13与T22/T23的门极来分别控制C1F与C2F上的电荷。这一调节过程使输出纹波最小。由于两个电荷泵交替工作,输出信号里包含了电荷泵交替工作带来的高频噪声。为了减小输出纹波,该电路需要更小的外部电容。

恒定频率模式由于存在较高的工作电流,其工作效率在轻负载条件下没有脉冲跳过模式高。

TPS60110在恒定频率模式中的典型应用电路如图3.29所示。

图3.29　TPS60110在恒定频率模式中的典型应用电路

除上述两种工作模式外,TPS60110还有一种单端工作模式。

·单端工作模式：当COM 为高电平时,器件则在单端工作模式中工作。两个单端电荷泵并行工作,没有相移。它们在半个周期内将电荷输送到传输电容(CF),在另外半个周期(传输周期)期间,CF与输入端串联,以便将电荷传送到CO。在单端工作模式中,只需要一个传输电容(CF=C1F+C2F),可以更好地节约电路板空间。

单端工作模式的典型应用电路如图3.30所示。

图3.30　单端工作模式的典型应用电路

从上述TPS60110的工作模式可以看出，它是一款电压输出型电荷泵白光LED驱动器，用于多个LED 并联的情形。下面给出了两种应用扩展。

（3）应用扩展。

◇并联两个TPS60110，输出600mA 电流。

可以将TPS60110并联以产生更高的负载电流。在输出电压为5V 时，图3.31中的电路可以输出600mA 的电流。该电路使用了两个并联的TPS60110。这两个器件可以共享输出电容，但每个器件需要各自独立的传输电容与输入电容。为实现最佳性能，关联的器件应采取相同的工作模式（脉冲跳过模式或恒定频率模式）。

图3.31　两个TPS60110并联输出600mA 电流

◇TPS60110与LC 滤波器一起使用，使纹波变得极低。

在要求极低的输出纹波的应用中，建议使用一个小型LC 滤波器，如图3.32所示。附加小电感与滤波电容比单独使用电容可以使输出纹波更低。

图3.32　TPS60110与LC 滤波器一起使用

（4）升压型电感式变换器LED 驱动芯片NCP5007。

NCP5007是安森美（ON Semiconductor）半导体公司的产品，是一款恒流型LED 驱动器，采用TSOP-5封装，共有5条引脚。所有引脚加了防静电的保护二极管（ESD），以免引脚受静电干扰而击穿。该芯片的主要用途是驱动白光二极管串，配上合适的电容,能输出高达1.0W 的输出功率,可作为小屏幕LCD 的背光照明用(例如,手机的显示背光照明),但不具备闪光灯的功能(要用电流为350mA、功率为1W 的白光LED 做闪光灯)。

NCP5007芯片具有以下特点：输入直流电压范围为2.7～5.5V,输出电压可达22V,允许驱动5个串联的LED；可以调整输出电流的大小,使之与LED 的要求相匹配,并保持此电流恒定；在输入电源电压变化的情况下,实现LED 亮度的自动调整；IC内部有过电压保护、热关断保护；可通过加到FB脚的模拟电压或PWM 信号调节流过LED 的电流,对LED 进行调光；IC 静态的待机电流很低,只有0.3μA,可以减少手机电池的功率消耗,延长电池的使用寿命。NCP5007芯片结构如图3.33所示。

图3.33　NCP5007芯片结构

NCP5007芯片引脚功能如下：

·FB：反馈信号输入端。反馈输入为模拟信号,输出到LED 的电流可以通过连到此脚的检测电阻加以检测,检测电阻的电压送到IC内部,能自动地使LED 电流得到调整。输入此脚的可以是模拟信号,也可以是PWM 信号。改变该脚的电阻或送到此脚的外加电压信号,可以改变LED 的电流,从而调整其亮度(调光)。

连到此脚的检测电阻如采用误差为±5%或精度更高的精密电阻,可以准确地控制LED 的电流(亮度)。

若输入的FB 脚与地之间的电压超过700mV,IC 内部的比较器将自动关断NCP5007,使之停止工作。

·GND：电源及模拟信号地。必须保证良好接地,避免受火花影响造成误动作,PCB的走线要足够宽,免得电流密度过大,将地线烧断。

·EN 数字信号输入端。当输入一个高电平的逻辑信号时,NCP5007 开始工作。由于内部接了一个下拉电阻,所以当此脚悬空时,IC不工作；正常工作时,EN 必须为高电平,可以直接和电池电源相连。

输入的逻辑高电平应是标准的1.8V 或CMOS逻辑高电平。在此脚加PWM 信号,也可以调整LED 的亮度。

·Vbat：电池电源输入端。此脚接外接电池的正极,并使用高品质的电容旁路到地,可用4.7μF/6.3V、等效串联阻抗(ESR)低的电容,电容尽量让它靠近2、5脚。

·Vout：功率输出端,即变换器的直流电压输出端。此脚与Vbat间外接电感L,同时和肖特基二极管相连,给负载提供恒定的输出电流,其输出电压最高不能超过22V。一旦输出电压超过过压保护(OVP)阈值,IC 将进入关断状态。要重新启动它,可以在EN 脚加一个由低到高的逻辑信号,或关断电池电压后再重新接通。

为避免过压保护(OVP)误动作,该管脚需旁路一个等效串联电阻(ESR)小的陶瓷电容,电容值在1.0～8.2μF之间,其ESR 小于100mΩ。

图3.34是用NCP5007组成的驱动LED 的电路,外接元件很少。为了减少损耗,升压二极管D1采用肖特基二极管(例如,MBR0530),它的导通压降较小,可以提高整个电路的效率,并具有开关电路所需要的快速恢复的特点。开关二极管只在开关管截止时导通,所承受的最大反峰电压等于输出电压,平均电流等于正常工作时的输出电流。一般在此类电路中,电流额定值为1A,反向电压为20V、30V、40V 的肖特基二极管都可应用。

电感L1 的一端与5脚Vbat相连,另一端则与开关二极管相接。在此电路中,电感L1 的典型值为22μH。如输出电流超过20mA,电感的直流电阻最好低于0.15Ω,以免使电源转换效率降低。采用较大的电感,可以使输出电流更稳定些、纹波更小一些。为了减小电感的尺寸,一般开关频率都比较高,约为1MHz。

在图3.34中,发光二极管采用串联连接、恒流驱动,保持LED 发光亮度一致。R1 为LED 电流检测电阻,改变其阻值,可控制流过二极管的电流和亮度,使输出电流与LED 要求的电流相匹配。

图3.34　NCP5007典型应用