引言

　　LED驅(qū)動已迅速成為功率轉(zhuǎn)換技術(shù)日益重要的應(yīng)用領(lǐng)域,。除了要求更高效率、更低靜態(tài)電流之外,，LED驅(qū)動還有不少更精細(xì)的要求，如LED匹配,、調(diào)光、白光平衡等等,。另外還有一些基本架構(gòu)問題,，如LED是串聯(lián)還是并聯(lián)連接,、是進行高端還是低端關(guān)段。某些特定的LED實現(xiàn)方案能夠獲得不同程度的效果,，比如眾所周知的感應(yīng)式升壓解決方案和電荷泵倍增器,。而分?jǐn)?shù)電荷泵、4開關(guān)降壓-升壓解決方案和多路電感解決方案則被人忽略,。后者也被稱為“SIMO”,，即單電感多輸出，未來,，隨著白光LED背光被更復(fù)雜的RGB同類產(chǎn)品所取代,，預(yù)期這種技術(shù)將扮演越來越重要的角色。

　　LED簡介及工作原理

　　便攜式產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是逐漸向更多多媒體應(yīng)用轉(zhuǎn)變,。這一趨勢要求使用能夠支持?jǐn)?shù)百萬顏色的,、分辨率更高的顯示屏。顯示屏的傳統(tǒng)照明方法是采用真空熒光燈管,，但最近廣泛采納的是LED,。LED的尺寸小得多，這對便攜式產(chǎn)品非常有利,，而且LED的功耗也更小,，還遠(yuǎn)比真空熒光燈更為可靠。不過,，如何保持恒定的光強度和顏色是這一照明技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn),。了解白光LED的工作原理有助于了解如何確保其強度和顏色一致。

　　由于LED是半導(dǎo)體器件,，相比其他光源,，它具有獨特的特性，其中最顯著的是電流和光強度之間的非線性關(guān)系,。圖1顯示一些典型LED的這種關(guān)系,。
 

                                                                圖1一些典型LED的電流和光強度之間非線性關(guān)系

　　第二個顯著特性是有關(guān)LED的正向壓降。不同于白熾燈泡,，LED并非純粹的電阻式負(fù)載,。正向壓降隨LED顏色而改變。一般而言,，紅光LED的正向電壓為2.2V,，綠光LED的正向電壓3.1V。白光LED和藍(lán)光LED的正向電壓相同,，典型值都是3.3V,。

　　為便攜式設(shè)備中這些LED提供恒定的電壓和電流是一大挑戰(zhàn)。供電電源必須能夠自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)不斷降低的電池電壓,，否則光強度會隨電池電壓而變化,。因此,，這些設(shè)備需要非常特殊的電源。

　　驅(qū)動器選擇

　　保持LED電流和電壓恒定的常用架構(gòu)有3種,。第一種是針對串聯(lián)LED結(jié)構(gòu)的感應(yīng)式升壓調(diào)節(jié)器,。第二種仍是相同的感應(yīng)式升壓調(diào)節(jié)器，但用于并聯(lián)LED結(jié)構(gòu),。最后一種是電容式電荷泵,。這些架構(gòu)各有其優(yōu)勢，但對于給定的應(yīng)用,，僅有一種能夠提供最大的優(yōu)勢,。

　　感應(yīng)式升壓調(diào)節(jié)器

　　感應(yīng)式升壓架構(gòu) (比如飛兆半導(dǎo)體的FAN5608) 的基本工作原理是利用電感的電流存儲能力。電感可以阻止電流變化,，正負(fù)皆然,。這種阻抗能力對器件上壓降的影響可以下式表示：

　　這一簡單的公式表明了升壓轉(zhuǎn)換器的工作原理。晶體管導(dǎo)通,，電流開始在電感中流過,，然后晶體管關(guān)斷。由于電流無法瞬間降為0,，它繼續(xù)流經(jīng)二極管,。電流逐漸減小，di/dt變?yōu)樨?fù),，導(dǎo)致電感上的電壓為負(fù),。

　　利用克希霍夫 (Kirchokff) 電壓定律,，可計算出輸出電壓,。

　　Vin·ton+(Vin-Vout)·toff=0

　　上式可重新整理為

　　這里D代表ON占空比。由于D的范圍在0到1之間,，故輸出電壓總是比輸入電壓高,。輸出電壓與占空比成正比，因此,，為了產(chǎn)生更高的電壓,，必須提高占空比。FAN5608利用這種方法可使最大輸出高達18V,。這樣一來,，可驅(qū)動多達4到5個串聯(lián)LED。對并聯(lián)結(jié)構(gòu),，F(xiàn)AN5608能夠產(chǎn)生高達40mA的電流,。

　　電容式電荷泵

　　電荷泵利用電容來存儲能量，可以把輸入電壓提升到1、1.5或 2倍,。通過一個開關(guān)陣列和一個時鐘,，電容可以交替性地進行并聯(lián)充電和串聯(lián)放電,，從而提高輸出電壓,。圖2可以很好地解釋這一原理。
 

圖2

　　該調(diào)節(jié)器的最大輸出電壓取決于電容的數(shù)量和分配給充電及放電的時間,。飛兆半導(dǎo)體的FAN5607使用了兩個電容,，有1×、1.5×和2×三種模式,。在2.4V 到 5.5V的輸入電壓范圍上,，該器件能夠為4個白光LED的每一個提供高達30mA的電流。

　　LED拓?fù)?br />
　　利用感應(yīng)式升壓轉(zhuǎn)換器,，LED能夠被串聯(lián)驅(qū)動或并聯(lián)驅(qū)動,。串聯(lián)陣列可確保通過所有LED 的電流都相同，從而保證相同的光強度,。這種方案的缺點是,，驅(qū)動器的輸出電壓必需等于或超過所有LED的正向電壓總和。在某些應(yīng)用中,，這就可能高達24V,，于是需要采用擊穿電壓超過24V的硅工藝，這一般會增加器件的成本,。其次,，升壓轉(zhuǎn)換器的效率也隨輸出電壓的增加而受到影響。表1所示為讓4個白光LED產(chǎn)生相同的光量,，三種不同拓?fù)渌韫β手容^,。如果對效率的要求比較高，串聯(lián)拓?fù)洳⒉皇呛玫倪x擇,。

　　盡管轉(zhuǎn)換器不需要把電壓提升到太高(如3.3V)就可驅(qū)動并聯(lián)陣列,，但并聯(lián)拓?fù)湫枰獙γ恳粋€LED進行電流調(diào)節(jié)。由于LED的光強度隨電流而變化,，所有LED中的電流需要匹配,，以保持每一個LED的光強度穩(wěn)定。這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本,。并聯(lián)拓?fù)涞膬?yōu)勢在于效率高,，從表1數(shù)據(jù)可看出，F(xiàn)AN5608在并聯(lián)模式下的的效率比串聯(lián)模式下略高,。

　　電荷泵主要用于驅(qū)動并聯(lián)陣列,，因為輸出電壓與充電電容的數(shù)量有關(guān)。電荷泵有一些優(yōu)點，它們一般只需要較小的板空間,，因為電容可以小至0402封裝大小,。這是一個很顯著的優(yōu)勢，尤其是在終端產(chǎn)品為便攜式設(shè)備時,。對便攜式無線電產(chǎn)品而言,，還有一個好處是產(chǎn)生的EMI更少。即使使用屏蔽電感,，感應(yīng)式升壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的EMI噪聲也超過了普通電荷泵的,。這可是手機等便攜式接收器的一個重要考慮事項。FAN5607產(chǎn)生的EMI噪聲極少,，這使它非常適合于驅(qū)動手機顯示屏中的白光LED,。不過，若對板空間和EMI的要求都不太嚴(yán)苛的話,，電荷泵可能就不是適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案,。因為，對這種方案來說,，要減小尺寸,，就得犧牲效率。電荷泵不是最高效的升壓調(diào)節(jié)器,，故在計算電池功耗時,，必須考慮到這種影響。

　　調(diào)光方法

　　調(diào)光有利于改變照明光強度以實現(xiàn)功耗目標(biāo)或美學(xué)價值,。LED調(diào)光有兩種常用方法,。第一種是簡單地調(diào)節(jié)電流，電流的微小變化引起LED強度的微小變化,，這個過程非常易于控制,。第二種方法是利用脈沖寬度調(diào)制時鐘來改變LED的ON占空比，通過LED的平均電流隨占空比的減小而降低,。這種方法的主要考慮事項是時鐘頻率,，必須足夠高至感覺不到閃爍。一般需要達到1kHz或更高,。線性調(diào)節(jié)和脈沖寬度調(diào)制都對白光LED的顏色有影響,，但作用相反。

　　絕大多數(shù)白光LED都只是帶磷光質(zhì)涂層的藍(lán)光LED而已,。磷光質(zhì)中的電子被短波長光激發(fā),，發(fā)出白光。白光LED的顏光或色度將隨光振幅,、峰值波長或頻譜形狀的變化而變化,。而上述因素又將隨結(jié)溫變化而變化,。采用線性電流調(diào)節(jié)的調(diào)光方法會讓白光LED偏黃色，因為磷光質(zhì)在電流減小時更有效,。采用脈沖寬度調(diào)制的調(diào)光方法則會使LED偏藍(lán)色,，因為磷光質(zhì)作用變小。這種影響緣于峰值波長向更短的波長移動,。
 

　　FAN5607 和 FAN5608都考慮到了上述任一種調(diào)光方法的實現(xiàn),。這兩款器件都帶有可變模擬輸入，可線性調(diào)節(jié)電流,。兩款器件都能夠產(chǎn)生脈沖來導(dǎo)通或關(guān)斷輸出,。 理想的調(diào)光方法是結(jié)合上述兩種方法,，把色差減至最小,。

　　結(jié)語

　　LED是高效的便攜式設(shè)備顯示屏照明方法。由于它們采用半導(dǎo)體技術(shù),，故需要獨特的調(diào)節(jié)手段,。電荷泵和感應(yīng)式升壓調(diào)節(jié)器可提供最好的電源解決方案，不過它們各有其優(yōu)勢,，應(yīng)該針對特定應(yīng)用具體考慮,。效率、最小EMI輻射,、更小尺寸的重要性都表明必需選用適當(dāng)?shù)尿?qū)動器,。另一個重要因素是調(diào)光方法。脈沖寬度調(diào)制和線性調(diào)節(jié)的結(jié)合可提供穩(wěn)定的調(diào)光方法,，同時盡可能地減少色差,。確保LED提供恒定光不是什么挑戰(zhàn)，但解決方案應(yīng)該針對相關(guān)應(yīng)用量身定做,，以最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢,。