LED驱动电路：技术升级 追求高效

    驱动电路是LED(发光二极管)产品的重要组成部分，其技术成熟度正随着LED市场的扩张而逐步增强。无论在照明、背光源还是显示板领域，驱动电路技术架构的选择都应与具体的应用相匹配。
    作为LCD(液晶显示器)的背光源，LED在便携产品中的地位不可动摇，即便是在大尺寸LCD的背光源当中，LED也开始挑战CCFL(冷阴极荧光灯)的主流地位；而在照明领域，LED作为半导体照明最关键的部件，更是因为顶着节能、环保、长寿命、免维护等诸多光环而受到市场的追捧。然而人们可曾关注，在光彩夺目的“明星”身后，有多少“配角”在默默奉献？LED驱动电路就是这样一位“幕后英雄”。

    驱动技术逐步升级

    LED的发光机理是在它两端加上正向电压，使半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩能量，从而引起光子的发射。LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源，同时按照LED器件的要求完成与LED的电压和电流的匹配。以白光LED为例，白光LED需要大约3.6伏的供电电压才能实现合适的亮度控制。然而，大多数便携式电子产品都采用锂离子电池作电源，它们在充满电之后约为4.2伏，安全放完电后约为2.8伏，显然白光LED不能由电池直接驱动，因而需要使用升压电路在整个电池使用周期内不间断地为LED稳定供电。
    此外，许多产品设计者希望LED的亮度在不同的应用场合能够作相应的变化，这个任务也将交给驱动电路去完成。PWM(脉宽调制)技术是一种传统的调光方式，它利用简单的数字脉冲，反复开关LED驱动器，系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节LED的亮度。该技术的优点在于能够提供高质量的白光，以及应用简单，效率高，但一个致命的缺点是容易产生电磁干扰，有时甚至会产生人耳能听见的噪声。北京思旺电子技术有限公司首席执行官裴石燕介绍了数字调光技术，利用该技术可以实时地控制LED亮度，并且避免了电磁干扰。
    在完成“本职工作”的同时，某些厂商的LED驱动电路中还被集成了一些附加功能，比如音频功放。华润矽威科技(上海)有限公司总经理凌辉表示，目前已经有很多企业在从事PMU(电源管理单元)的设计，即尽可能多地把一些模拟功能集成在单芯片里，这样的设计可以在节省PCB(印制电路板)空间、提高可靠性、降低成本等方面作出一些贡献，但是否需要采取这种方式，最终还是取决于产品应用的需求。

    系统需求决定设计方案

    如前所述，升压是LED驱动电路的重要任务，而电感升压和电荷泵升压是两种不同的拓扑模式。“由于LED是由电流驱动的，而电感在进行电流转换时效率最高，因此电感升压方式最大的优点就是效率高，如果设计得当可以超过90%；不过它的缺点也同样明显，就是电磁干扰很强，对手机等通信产品的系统要求就非常高。随着电荷泵的出现，目前大多数手机都不再采用电感升压方式。当然，采用电荷泵的升压方式其效率将低于电感升压。”凌辉简要地列举了两种升压方式的优劣。
    电荷泵和基于电感的转换器工作在开关模式，会在输入、输出端产生电压、电流纹波。“有时，纹波和噪声会耦合到其他敏感电路(如手机的射频收发器)，影响产品性能。输入纹波的影响相对而言更显著，因为电池电源线在系统中是公用的，当开关频率相同、驱动同样的输出负载、使用相同的输入电容时，电荷泵架构和电感电路的输入纹波在同一量级，增大输入电容有助于降低输入纹波。”Maxim公司便携式通信设备电源产品线总监TonyLai解释，“输出纹波也是一个考虑因素，特别是当引线较长时。长引线如同一个天线，能够向电路引入更多的耦合噪声，由于电感升压电路只需要两条引线，可能更适合这一应用。当驱动电路与LED的放置位置非常接近时，则推荐使用电荷泵。另外，电感升压电路在电感与肖特基二极管的连接处有较高幅度的开关波形，如果在开关节点加一个小电容，减缓开关信号的上升/下降沿，将有助于降低电磁干扰，但同时会影响效率。”可见，最终的升压方式和设计方案的选择往往是根据系统的需求，在综合考量各种技术指标之后达成的妥协。

    提高效率是永恒主题

    无论在照明应用还是背光应用领域，提高驱动电路的转换效率都是产品设计者必须面对的问题。提高转换效率，不仅有利于便携式产品延长待机时间，同时也是解决LED散热问题的重要手段。在照明领域，由于使用大功率LED，因此提高转换效率就显得尤为重要。
    谈到在提高效率方面的成果，裴石燕说：“思旺电子的电荷泵升压模式可选择两种倍增因子：1倍和1.5倍。当电压在3.8V和4.2V之间时，芯片自动选择1倍模式，因为此电压已足以驱动白光LED；而当电压低于1.5V时，芯片将自动改用1.5倍模式，在这种模式下，即便电压降至2.8V，LED仍旧能正常工作。这样的混合模式在提高转换效率的同时，也尽可能地延长了电池的使用寿命。”
    杭州士兰微电子股份有限公司研究所副所长吴建兴表示，仅从技术角度而言，提高转换效率并不复杂，但是器件本身要受外界条件约束，比如体积的限制，也就是说要在有限的空间内尽可能地提高效率，这是设计人员所面临的挑战。“就照明应用而言，提高LED器件本身的光电转换效率会更有意义。”吴建兴补充道。