LED驱动技术的种类

　　对于显示技术而言，不仅视频信号处理上需要高清，背光调节的好坏，也直接影响着视频显示效果。为了将“高清”技术进行到底，厂商们在LED背光驱动技术上也着实下了不少功夫。

　　传统上，LED的调光是利用一个DC信号或滤波PWM对LED中的正向电流进行调节来完成的。减小LED电流将起到调节LED光输出强度的作用，然而，正向电流的变化也会改变LED的彩色，因为LED的色度会随着电流的变化而变化。许多应用(比如汽车和LCD TV背光照明)都不能允许LED发生任何的彩色漂移。在这些应用中，由于周围环境中存在不同的光线变化，而且人眼对于光强的微小变化都很敏感，因此宽调光范围是必需的。通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法允许在不改变彩色的情况下完成LED的调光。

　　人们常说的真正彩色(True Color)PWM调光是利用一个PWM信号来调节LED的亮度。它实际上需要在满电流和PWM频率条件下进行LED的接通和关断操作。人眼的分辨极限是每秒60帧，通过增加PWM频率(如提高到80~100Hz)，就能够使人眼认为脉动的光源是连续导通的。此外，通过调节占空比(接通时间的总量)，也可控制LED的亮度。目前，许多LCD TV设计师都需要高达3,000:1的调光比，以便针对众多的环境光照条件进行亮度调整。

　　系统工程师在挑选背光源时，究竟是该选RGB还是白光LED呢？凌力尔特公司电源产品市场经理Tony Armstrong指出，背光源(RGB或白光LED)的选择可以根据特定最终产品的要求来进行。不过，采用RGB LED来替代白光LED是有正当理由的，因为前者具有更加宽广的色谱，这将显著地改善图像质量，以挑选LCD TV为例，消费者对色彩逼真度的关注程度是最高的。然而，采用RGB LED需要一个更大、更复杂而且更昂贵的解决方案。

　　凌力尔特的LT3476四通道LED驱动器便是RGB LED驱动器的一个实例。LT3476的每个通道能驱动多达8个串联的1A LED(红光、绿光、蓝光或白光)，因而使得LT3476能够驱动多达32个1A LED，并提供高达96%的效率。4个通道均可通过其独立的True Color PWM信号来独立运作，从而实现了其独立调光，调光比可高达1,000:1。固定频率、电流模式架构可在一个很宽的电源和输出电压范围内实现稳定的运作。一个频率调节引脚允许用户在200kHz~2MHz的范围内设置开关频率，以优化效率，并最大限度地缩减外部元件尺寸。其耐热增强型5×7mm QFN封装提供了一个非常紧凑的解决方案占板面积，很适合于大型LCD TV中常见的100W LED应用。

　　除了类似于凌力尔特的将PWM信号用作控制信号来进行亮度调节之外，是否还有其他技术也能达到很好的调光效果呢？飞兆半导体现场应用工程师Brian Law有着自己的见解，他认为，区分LED驱动器和标准升压转换器的关键要求之一是LED驱动器能够控制LED的亮度水平。调节亮度有三种常用方法：使用SET电阻；采用PWM技术；以及线性调节。最简便的方法是在IC中使用外部SET电阻。虽然这是有效的方法，但却缺乏灵活性，无法让用户改变光强度。采用PWM技术和线性调节则可对光强度进行动态控制。但是这两种方法各有缺点。采用PWM调暗LED会造成EMI噪声，并引起白光LED朝向蓝色光谱的色彩偏移。可能是轻微的偏移，但可在敏感应用中检测出。线性调节则会降低效率，并引起白光LED朝向黄色光谱的色彩偏移。至于哪种方法较优，业界至今尚未有共识。结果是飞兆半导体开发了最新的LED驱动器，能够用其中一种或结合两种方法来调校亮度。FAN5617使用充电泵架构来驱动三个并联LED，并糅合了一个单线总线，让用户以线性或施加PWM信号来设置光强度。

　　然而，就这种“集成式”调光技术而言，飞兆并非首例。据北京思旺电子技术有限公司总裁裴石燕介绍，该公司近日推出的无电感Charge Pump型WLED驱动IC SE3362也采用了类似技术。SE3362内部设计有电流匹配控制电路，能有效控制LED电流，使每一路WLED的电流具有高的匹配度，以保证WLED亮度的一致性。通过外部Rset电阻可对WLED电流设定，其亮度还可通过多种方式进行调节：

　　1. 使用一个直流电压设置RSET管脚的电流，从而改变WLED电流，调节亮度；
　　2. 将PWM信号用作控制信号，通过占空比调节亮度；
　　3. 将GPIO施于控制端，通过占空比调节亮度；
　　4. 在RSET两端并联不同的转换电阻，改变WLED电流调节亮度。

　　该驱动IC可同时驱动4颗并联的WLED，最大电流达30mA/WLED，适合用来驱动手机、PDA、DSC和PMP等LCD屏的背光LED。

提升可操作性，闪光灯领域比拼人性化

　　对于闪光灯这一应用领域，光是效率的提升已不足以满足设备厂商的胃口。随着照相手机的普及，人们对照相性能的要求也越来越高。对于面向闪光灯应用的LED驱动器来说，可操作性是一个为其加分的性能，同时这也是众多LED驱动厂商们努力的方向。

　　研诺逻辑近日推出的LED驱动器AAT1270为设计师提供了对闪光和电影模式操作的高灵活性控制，该产品可通过一个独立的外部电阻对满量程闪光LED电流进行设置。在电影模式应用时,缺省电流值的电流比设置为7.3:1，电影模式电流也可通过研诺逻辑专有的单线简易串行控制(S2Cwire)接口编程而设为15个其它比率。此外，为了防止闪光LED热损伤，AAT1270配置了用户可编程安全计时器，它可在设定的时间长度内停止闪光活动，还有一个独立的闪光灯支持引脚，以同时启动闪光/闪光灯操作和安全计时器。最后，AAT1270还配置了一个异步闪光抑制接脚，在高电池需求期间可减少拍摄模式中的闪光电流。

　　同样，为了提升用户的照相体验，恩智浦(NXP)半导体所发布的高效照相手机LED闪光驱动器UBA3001则可在电池供电型手机中提供最大闪光效果输出。增强的闪光性能可提高不良照明条件下的图像质量，由此显著改善用户的视觉体验。恩智浦UBA3001可为单颗高亮度LED提供1安培电流，由于它具备自动升压与降压转换功能，无论电池电量多少都可以获得极好的闪光性能。该解决方案专为高要求的照相手机而设计，并提供一些专门的特性，如发射模式期间降低电流、自动关机、真正LED关机，以及不同应用下电流设置的完全控制，包括闪光灯、手电，以及“相机/视频-开”的指示灯模式。

争夺照明应用“潜力股”，力排效率障碍

　　在环保呼声高涨的今天，节能照明技术已经越来越受到大众的重视，欧、美许多国家甚至立法以规范照明管理。LED照明技术以其低功耗、长寿命的优势当之无愧的成为了节能照明技术的“排头兵”。

　　除了演出照明、景观照明、住宅照明、防火照明等传统照明市场之外，汽车前灯照明市场也是LED照明技术发展的大好空间。Tony Armstrong甚至认为：增长最快的LED驱动器集成电路市场是汽车前灯照明，从现在到2011年，年复合增长率将超过150%。一个流行的应用领域是很多汽车和卡车的仪表板背光照明、内部照明和刹车灯。豪华型汽车制造商正在越来越多地采用最新的固态LED照明技术，用这些更轻、更小和更耐用的器件提供内部和外部照明，以提高未来车型的美感。

　　针对各种照明应用，如何提高LED发光效率是LED驱动厂商们目前最为关注的话题。为了尽快推动LED照明市场的快速增长，各个厂商也相继推出了一系列优秀的LED驱动产品。

　　聚积科技近日研发出的1.2A“定电流模式”高效率DC/DC转换器MBI6650，利用了创新的Hysteretic PFM技术，除了能避开对音频的干扰外，还可以在大电流的状态下具有快速切换频率，而在小电流时具有慢速切换频率，使得MBI6650在轻载与重载的系统转换效率分别高达85%和90%，大幅提升了LED照明系统运作上的效率，达到省电的效果。针对高功率LED照明的应用，该芯片的输入电流范围还扩增至9~36V。此外，MBI6650内建的全方位保护措施及散热片，能提高MBI6650运作时的稳定性与安全性。

　　除了提升发光效率，增加集成度也是厂商们的努力方向。美信(Maxim)今年推出的高效LED驱动器MAX16819和MAX16820仅需一个外部MOSFET和少量无源器件，即可驱动高达3A电流的LED。每个器件均可以驱动多达6个串联LED，提供从1W到25W以上的输出功率，效率高达94%。该系列驱动器所具有的高边电流检测功能使器件从本质上区别于标准降压PWM控制器。由于其外部检流电阻的压降仅为200mV，从而降低了MAX16819/MAX16820的功耗。此外，高边电流检测和集成的电流调节电路减少了外部元件数，同时可输出的LED电流精度达±5%。MAX16819和MAX16820无需使用外部电容，分别具有30%和10%的电流纹波。该系列产品适用于节能灯源以及汽车前后照明车灯。

　　虽然LED驱动市场前景可观，却仍然有一些技术方面的因素制约着其发展速度。Tony Armstrong指出，对于LED驱动技术来说，目前面临的主要挑战包括：1. 用可能低于、等于或高于负载电压的电池电压为一个或几个LED串供电；2. 以大调光比高效率地对LED调光，同时在高和低亮度时保持颜色特性不变；3. LED驱动器高效率工作是关键要求，尤其是在驱动HB LED时更是这样，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散了。因此，各个半导体厂商在谋求LED技术更大发展的道路上，还有许多事情可以做。

            各种白光LED驱动电路特性评比

　　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。

表2为光学坐标的等级（rank）（IF=25mA，Ta=250C）。

　　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

　　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。