白光LED串联与并联驱动方案

白光LED可以采用串联，也可采用并联连接方式，两种解决方案各有优、缺点。并联方式的缺点是LED电流及亮度不能自动匹配。串联方式可以保持固有的匹配特性，但需要更高的供电电压。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，直接驱动这些LED。然而，白光LED的正向压降为3～4V（典型值），故通常需要一个独立电源供电。

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个白光LED，驱动电流的范围是连续状态的10～350mA。这种配置的优势是串联白光LED可以用单线传输电流。其缺点是：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个白光LED发生故障，所有白光LED都将被关掉。但是，从设计角度看，如果有屁个白光LED，就要将电池电压提升到n×UF，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，从而限制由菲受控瞬间电流产生的EMI。典型的升压拓扑结构如图1所示。
 

图1 基于电感升压变换器的LED驱动器

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，必须对每个白光LED进行电流控匍，以确保各白光LED之间的匹配非常适合特定应用场合。实际上，两个白光LED间电流流不一致的程度超过10％以上时，将影响彩色LCD显示图像的质量（白光LED作为LCD的背光源）。在串联配置的两个白光LED中并不存在两个白光LED电流不一致的问题，因为流过两个白光LED的电流是相同的。

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。除了电荷泵变换器以外，每个白光LED控制器还包含一个电流镜像，此电流镜像的性能是白光LED间良好匹配的关键。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。

图2 基于电荷泵的LED驱动器框图

另一方面，因为电荷泵是基于电压变换的，所以电荷泵的输出电流本身不是自动控制的，需要在芯片设计阶段特别慎重，以免在电路工作中出现大量EMI。EMI问题不仅限于电荷泵结构，如果芯片设计不良，或电感的质量不足以防止EMI时，电感式升压变换器更容易产生EMI问题。尤其是由于成本原因使得电感没有进行屏蔽时，大量电磁场会因为线圈和磁芯泄漏而辐射到环境中。在设计初期使用恰当的屏蔽电感器比重新设计PCB布局和布线来解决EMI问题更有效。

同样地，采用最好的陶瓷电容比在项目接近完成时检查设计更加重要，虽然起初看起来设计的电路成本可能高一点。比如，低成本的电容（ESR＝1Ω）会在输出200mA的LED驱动器电源端UBAT产生500mV的毛刺，这是PCB布局难以弥补的致命问题。

尽管设计一个能够在任何正向电流和配置情况下驱动白光LED的电路在技术上是可行的，但成本十分昂贵。开发一种处理特定需要、具有合理的额外特性或技术容限的驱动电路更经济有效，所以市场上出现了各种系列的LED驱动器。另外的一个趋势是采用微型封装技术减小应用于LED驱动器的芯片尺寸，新的芯片大小是2mm×2mm，仅0.55mm厚，能进一步地减少占板面积。

日前的技术趋势是通过改进材料和封装来改进LED，以减小相同工作电流下的正向压降，并最终能够直接用单节带电流源的锂离子电池驱动LED，并控制LED电流。红色和琥珀色LED已实现了上述目标，雨一些白色LED的最大正向电压已接近3.2V。下一步将是设计出新的变换器，以使采用这种低UF的LED获得最高效率。

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LED，所以需要升压变换器。电荷泵利用电容实现电压转换，以提供高于电源电压或与电源电压反向的输出电压。电荷泵内部结构相对复杂，但外部元件可能较少，尺寸小，成本低。电荷泵用电池电压对电容器进行充电，然后利用电容器“存储”电能，提供高于电源电压的输出电压。它需要使用数个开关对电容器进行正确连接。其内部复杂度有所提高，但外部元件可能较小。电荷泵是一个电压源，其数值取决于电容和开关数量。因此，在不大幅提高复杂度的情况下，达到较高输出电压更为困难。在这种情况下，要对LED进行并联而不是串联；要确保LED电流的稳定，可通过附加电流源或限流电阻对LED电流进行匹配，以确保LED之间的电流差异微乎其微。当精确度处于次要地位时，最好使用限流电阻来减少连接数量并降低复杂度。电荷泵的主要缺点在于其效率低。开关和电容器的数量决定了电荷泵的增益，此增益通常为1.5倍压或2倍压。理想效率的算法如下

实际上，UOUT不可能等于N×VIN，因为确保内部电路正确偏置的最小压降在于驱动器本身，图3显示了电感升压变换器（此处为NCP5006）与两倍压的电荷泵之间的效率差别。
 

图3 效率与电池电压的关系曲线

基于电荷泵的白光LED驱动器限制电源电压通常为5.5V或6Y，由其构成的电路仅需要一种电源电压。而基于电感升压变换器的白光LED驱动器，因某些电感升压变换器与电感器无须连接到同一个电源上，如采用NCP5006、NCP5007构成的电路的电源电压为5.5V，但是由于功率开关的最高电压均为22V，则电感器就需要更高的电源电应。

基于电荷泵的白光LED驱动电路的一个重要的参数是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，则必须设置高质量的输入滤波电路。由于基于电感式升压变换器的白光LED驱动器存在有电感，故会引起电磁干扰（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。

采用电感式升压变换器及电荷泵构成的典型LED驱动器的参数比较如表1所示。
 

表1采用电感式升压变换器及电荷泵构成的典型LED驱动器的参数