進(jìn)入二十一世紀(jì),，能源消耗日益成為整個(gè)人類社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。出于對(duì)于照明的基本需求,，如何更有效的利用各種能源產(chǎn)生更多的照明,，成為探索新的照明技術(shù)的巨大驅(qū)動(dòng)力。從原始的燃料照明到白熾燈,，從熒光燈到各種發(fā)光材料的探索,，催生出LED照明技術(shù)。在如今社會(huì),，各種媒體設(shè)備照明環(huán)境需求的差異化,，進(jìn)一步促進(jìn)了人類探索如何利用各種高亮度LED進(jìn)行照明。LED在照明方面的應(yīng)用已經(jīng)吸引廣泛關(guān)注,。
LED基本原理及性能特點(diǎn)
首先我們來(lái)介紹一下LED的基本原理以及性能特點(diǎn),。LED的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上,，然后四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封,，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好,。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片,，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為PN結(jié),。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中,，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能,。PN結(jié)加反向電壓,，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光,。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)(即兩端加上正向電壓),，電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線,，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān),。
LED光源具有以下特點(diǎn)：
1.電壓：LED正向?qū)üぷ麟妷狠^低，可以使用低壓電源驅(qū)動(dòng),，供電電壓根據(jù)最終產(chǎn)品不同而異,，是一個(gè)比較安全的照明設(shè)備，特別適用于公共場(chǎng)所,。
2.效能：同等照度的情況下消耗能量較同光效的白熾燈減少80%,。
3.適用性：每個(gè)單元LED小片是3-5mm的正方形,，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境,。
4.穩(wěn)定性：通常為10萬(wàn)小時(shí),，光衰為初始的50%。
5.響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí),，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí),。
6.對(duì)環(huán)境污染：無(wú)有害金屬汞。
7.顏色：LED的發(fā)光顏色和發(fā)光效率與制作LED的材料和工藝有關(guān),，目前有紅,、綠、藍(lán)三種基本顏色,。
8.價(jià)格：與白熾燈相比,，LED的價(jià)格較高，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng),，不過(guò)隨著技術(shù)工藝的進(jìn)步,，可以逐步提升性價(jià)比。
LED驅(qū)動(dòng)方案
LED自問(wèn)世以來(lái),，就得到人們的極大關(guān)注,，LED驅(qū)動(dòng)器件和驅(qū)動(dòng)方式不斷更新以便更加有效地驅(qū)動(dòng)LED為人類照明。從早期的DC/DC開(kāi)關(guān)電源到電荷泵,，以及追求成本的低邊驅(qū)動(dòng)和LDO,人們?cè)诓煌膽?yīng)用情況下選用不同的驅(qū)動(dòng)線路,，作為市場(chǎng)關(guān)注的熱點(diǎn)，便攜產(chǎn)品的顯示背光是LED背光應(yīng)用的主要市場(chǎng),，下文將針對(duì)便攜產(chǎn)品的背光顯示,，介紹當(dāng)前幾種常見(jiàn)的LED驅(qū)動(dòng)方案。
1. Step-UP DC/DC開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)
該方案主要的特點(diǎn)在于：輸入電壓較低,，甚至低至0.7V(單節(jié)干電池),，從技術(shù)發(fā)展的角度看，串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的比較早,，技術(shù)上也比較成熟,，效率較高。典型的應(yīng)用線路如圖1所示,。
圖1：Step-UP DC/DC 開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)的典型應(yīng)用線路,。
對(duì)于這種應(yīng)用方式，早期的驅(qū)動(dòng)芯片主要采用電流反饋方式,，按照VFB/Rb來(lái)確定LED的電流,，DC/DC反饋電壓VFB一般在1.2V左右，這限制了有效效率的進(jìn)一步提升,，本身DC/DC的效率在80%左右,，在這種應(yīng)用情況下，實(shí)際效率降低的更多,，而隨著技術(shù)的提高,，降低VFB電壓到0.1V以內(nèi)，可以將有效效率提升到85%以上,，尤其在驅(qū)動(dòng)2-3顆燈的應(yīng)用狀態(tài)下,。該方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，成本相對(duì)較低,，通過(guò)一些新的技術(shù)革新,，例如圖1所示的過(guò)壓保護(hù)功能，或者采用電壓電流反饋共同作用,，可以得到較高的亮度一致性以及較高的安全系數(shù),，尤其以大尺寸屏幕顯示的背光應(yīng)用居多。由于需要較多的LED實(shí)現(xiàn)屏幕背光,，因而亮度的一致性和均勻性是必須面對(duì)的挑戰(zhàn),。
缺點(diǎn)：本身電感的應(yīng)用，限制了線路的尺寸以及高度,，并且?guī)?lái)工程設(shè)計(jì)人員不愿意面對(duì)的問(wèn)題-EMI處理,，尤其在靠近射頻部分，需要針對(duì)干擾做專門的處理,，否則會(huì)導(dǎo)致射頻接收靈敏度降低,，甚至帶來(lái)音頻部分的干擾，例如音頻輸出電流干擾聲,。另外,，在這種應(yīng)用情況下，如果一個(gè)LED發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致整串LED失效,，這是人們不愿意看到的結(jié)果,。
2. 電容式電荷泵驅(qū)動(dòng)模式
這是一種比較新的驅(qū)動(dòng)方式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)電容式電荷泵通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列和振蕩器,、邏輯電路,、比較控制器實(shí)現(xiàn)電壓提升，采用電容器來(lái)貯存能量,。因工作于較高頻率,，可使用小型陶瓷電容器(1μF)，占用空間最小,，使用成本較低,。電荷泵有兩種工作模式，恒壓模式,，恒流模式,。
1)恒壓模式電荷泵,。圣邦微電子的SGM3110就是采用恒壓模式的電荷泵，由于恒壓模式電荷泵的工作特性,，本身具有高開(kāi)關(guān)頻率以及大峰值的瞬態(tài)電流,，因而需要工程師在PCB布板部分額外注意，一般要求外圍的電容盡可能靠近器件本身,，外圍布線要盡量短,，本身需要周圍的PCB地盡可能大，外圍電容也要盡量直接接到SGM3110的地上,，如果布線限制,，則可以通過(guò)大的PCB過(guò)孔以及多個(gè)過(guò)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)良好接地。
效率計(jì)算方法：η=Iout*Vout/Iin*Vin
由于器件本身存在開(kāi)關(guān)損耗以及電容漏電,，因而實(shí)際效率要比該值低一些,，這跟生產(chǎn)廠家的工藝技術(shù)有關(guān)。采用這種LED驅(qū)動(dòng)模式的優(yōu)點(diǎn)在于,，可以簡(jiǎn)化外圍線路,、降低產(chǎn)品成本。尤其在小尺寸屏的情況下,，1-2個(gè)LED做屏幕背光,；或者用做閃光燈驅(qū)動(dòng)，在100mS內(nèi)達(dá)到250mA電流的輸出,；或者是簡(jiǎn)單的DC/DC 5V升壓簡(jiǎn)化版本,，替代電感DC/DC升壓，降低成本以及產(chǎn)品EMI問(wèn)題,。缺點(diǎn)在于只有簡(jiǎn)單的兩倍升壓模式,，效率較低，大多數(shù)時(shí)間效率低于70%,，實(shí)際利用效率更低,，其中有相當(dāng)一部分消耗在限流電阻上。在驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED的時(shí)候,，背光一致性完全依賴于LED以及限流電阻的精度,。
2)恒流模式電荷泵。為了進(jìn)一步提升LED驅(qū)動(dòng)的效率,，圣邦微電子在2008年第二季度推出帶有1X,、1.5X、2X升壓的恒流模式電荷泵SGM3123,，對(duì)于恒流模式的電荷泵來(lái)講,，通過(guò)內(nèi)部的邏輯控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每一路LED實(shí)現(xiàn)均流，使LED的亮度保持相等,，與此同時(shí),，盡可能地提高LED的驅(qū)動(dòng)效率,。
在這種應(yīng)用中，通過(guò)電流鏡像控制技術(shù)使LED的亮度一致性得到保持,，每一路的LED電流誤差不超過(guò)2%,，并且1X、1.5X升壓模式使驅(qū)動(dòng)LED的效率得到兼顧,，LED在大部分工作時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動(dòng)效率可以保證在80%以上,。典型應(yīng)用線路如圖2所示,。
圖2：恒流模式電荷泵SGM3123的典型應(yīng)用線路。
利用不同的阻值來(lái)設(shè)置LED輸出電流：ILED=Gain*VIset/RIset,。不同廠家Gain系數(shù)不同,。人們?cè)趯?duì)電荷泵技術(shù)革新的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)利用它驅(qū)動(dòng)LED相對(duì)于DC/DC的一系列優(yōu)點(diǎn),降低成本,，縮小驅(qū)動(dòng)板的尺寸,，避免EMI干擾。
3. 對(duì)于成本及性能的追求,，也存在著一系列其他的驅(qū)動(dòng)方式例如低邊LED驅(qū)動(dòng),。相比較恒流模式的電荷泵，僅缺少電荷泵升壓,，對(duì)于電流的恒流處理部分則相同,。成本與電流模式電荷泵比相對(duì)較低。缺點(diǎn)在于,，純線性處理,，當(dāng)電池電壓降到較低，例如3.6V,，在突發(fā)大負(fù)載的情況下：手機(jī)接打電話或者拍照,，MP3播放音樂(lè)，MP4播放影片,，會(huì)造成電壓波動(dòng),，電壓會(huì)下降0.1~0.2V，那么在系統(tǒng)電壓會(huì)瞬間降到3.4V甚至更低,，不能保證LED的正常亮度,，存在屏幕亮度明顯變化的缺陷。
圣邦微電子已獲得廣泛應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)品,。
4. 成本的壓力促使采用更低成本的LDO來(lái)做系統(tǒng)背光,。用LDO作LED驅(qū)動(dòng)與上述方案比較，除了成本較低,，無(wú)論是電壓模式電荷泵SGM3110驅(qū)動(dòng)3個(gè)以上LED會(huì)存在亮度不均勻的缺點(diǎn),，還有低邊驅(qū)動(dòng)電壓不穩(wěn)導(dǎo)致亮度變化的缺點(diǎn)都存在,。
作為一家專注于高性能、高品質(zhì)模擬/混合信號(hào)集成電路研發(fā),、生產(chǎn)和銷售的半導(dǎo)體公司,，圣邦微電子目前瞄準(zhǔn)下一代多媒體顯示技術(shù)，在不久的將來(lái)會(huì)開(kāi)發(fā)出越來(lái)越多適應(yīng)市場(chǎng)應(yīng)用需求的產(chǎn)品,，例如7通道DC/DC,，多路PMU，單路DC/DC開(kāi)關(guān)電源以及各種LED驅(qū)動(dòng)(DC/DC,、電荷泵,、低邊驅(qū)動(dòng))。
目前圣邦微電子已有10個(gè)系列200多種產(chǎn)品,，可廣泛應(yīng)用于手機(jī),、DVD、數(shù)碼相機(jī),、筆記本電腦,、汽車電子、工業(yè)自動(dòng)控制,、醫(yī)療儀器,、液晶顯示和軍工國(guó)防等眾多領(lǐng)域。圣邦擁有先進(jìn)的品質(zhì)保證體系,，已于2004年通過(guò)ISO9001認(rèn)證,，全部產(chǎn)品都符合RoHS規(guī)范。