白光LED的基礎(chǔ)知識(shí)與驅(qū)動(dòng)(二)

許多便攜式或采用電池供電的設(shè)備使用白光LED作為背光。

特別是PDA彩色顯示器需要白色背景光，以恢復(fù)所希望的色彩，恢復(fù)色彩要與原物很接近。未來的3G手機(jī)支持圖片和視頻數(shù)據(jù)，這也需要白色背光。

數(shù)碼照相機(jī)、MP3播放器和其它視頻、音頻設(shè)備也包括需要白色背光的顯示器。

在絕大多數(shù)應(yīng)用中，單個(gè)白光LED是不夠的，需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)幾個(gè)LED。

必須采用特定的操作，以確保它們的強(qiáng)度和色彩一致，即使是在電池放電或其它條件變化時(shí)。

圖7給出了一組隨機(jī)挑選的白光LED的電流-電壓曲線。在這些LED上加載3.3V電壓(上端虛線)會(huì)產(chǎn)生2mA至5mA范圍的正向電流，導(dǎo)致不同亮度的白光。

該區(qū)域中(如圖5所示)Y坐標(biāo)變化很劇烈，會(huì)導(dǎo)致顯示色彩的不真實(shí)。

同樣，LED也具有不同的光強(qiáng)，這會(huì)產(chǎn)生不均勻的亮度。

另外一個(gè)問題是所需的最小供電電壓，LED要求高于3V的電壓驅(qū)動(dòng)，若低于該電壓，幾個(gè)LED可能會(huì)完全變暗。

圖7：曲線顯示了不同白光LED的電流-電壓特性之間的相當(dāng)大的差異，甚至是從同一產(chǎn)品批次中隨機(jī)挑選的LED，因此用恒定的3.3V驅(qū)動(dòng)這樣幾個(gè)并聯(lián)的LED會(huì)導(dǎo)致不同亮度的白光(上虛線)。

鋰電池在完全充滿電時(shí)可以提供4.2V的輸出電壓，在很短的一段工作時(shí)間內(nèi)會(huì)下降到標(biāo)稱的3.5V。由于電池放電，其輸出電壓會(huì)進(jìn)一步下降到3.0V。如果白光LED直接由電池驅(qū)動(dòng)，如圖3所示，則會(huì)產(chǎn)生如下問題：

首先，當(dāng)電池充滿電時(shí)，所有的二極管都被點(diǎn)亮，但會(huì)具有不同的光強(qiáng)和色彩。當(dāng)電池電壓下降至其標(biāo)稱電壓時(shí)，光強(qiáng)減弱，并且白光間的差異變得更大。因此，設(shè)計(jì)人員必須考慮電池電壓和二極管正向電壓的數(shù)值，而需要計(jì)算串聯(lián)電阻的阻值。(隨著電池徹底放電，部分LED將會(huì)完全熄滅。)

帶有電流控制的電荷泵

LED供電電源的目標(biāo)是提供一個(gè)足夠高的輸出電壓，并且在并聯(lián)連接的LED上加載同樣的電流。注意(如圖5所示)，如果并聯(lián)配置的所有LED具有一致的電流，那么所有的LED將會(huì)具有相同的色彩坐標(biāo)。Maxim提供帶有電流控制的電荷泵，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)(MAX1912)。

圖8所示的三個(gè)并聯(lián)的LED，電荷泵具有較大量程，可以提高輸入電壓至1.5倍。早期的電荷泵只能簡單的使輸入電壓倍壓，而新的技術(shù)則提供了更好的效率。將輸入電壓升高至恰好可以驅(qū)動(dòng)LED工作的電平。連接至SET(10引腳)的電阻網(wǎng)絡(luò)保證所有LED的電流一致。內(nèi)部電路保持SET電平在200mV，這樣就可以計(jì)算出流經(jīng)每個(gè)LED的電流ILED=200mV/10=20mA。

如果某些二極管需要較低的電流，可以同時(shí)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)3個(gè)以上的LED，MAX1912的輸出電流可達(dá)60mA。進(jìn)一步的應(yīng)用和圖表可以參考MAX1912數(shù)據(jù)資料。

圖8：IC內(nèi)部包括電荷泵和電流控制，電荷泵為白光LED提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，而電流控制通過給每個(gè)LED加載同樣的電流來確保均勻的白光。

簡單電流控制

如果系統(tǒng)提供高于二極管正向?qū)妷旱碾娖?，白光LED可以很容易的被驅(qū)動(dòng)。例如，數(shù)碼照相機(jī)通常包括一個(gè)+5V供電電源。如果那樣的話，就不需要升壓功能，因?yàn)楣╇婋妷鹤阋则?qū)動(dòng)LED。對(duì)于圖8所示電路，應(yīng)該選擇一個(gè)匹配的電流源。比如，MAX1916可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)3個(gè)并聯(lián)的LED(如圖9所示)。

MAX1916 pdf ：http://www.elecfans.com/soft/39/2008/200807255540.html

圖9：單個(gè)外部電阻(RSET)設(shè)定流經(jīng)每個(gè)LED的電流數(shù)值，在IC的使能引腳(EN)上加載脈寬調(diào)制信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)簡單的亮度控制(調(diào)光功能)。

工作簡單：電阻RSET設(shè)定加載至所連LED的電流。這種方法占用很少的PCB空間。除IC(小巧的6引腳SOT23封裝)和幾個(gè)旁路電容之外，僅需要一個(gè)外部電阻。IC具有極好的電流匹配，不同LED之間差別0.3%。這種結(jié)構(gòu)提供了相同的色彩區(qū)域，因此每個(gè)LED具有一致的白光亮度。

調(diào)光改變光強(qiáng)

某些便攜式設(shè)備根據(jù)環(huán)境光線條件來調(diào)節(jié)其光輸出亮度，有些設(shè)備在一段較短的空閑時(shí)間之后通過軟件降低其光強(qiáng)。這都要求LED具有可調(diào)光強(qiáng)，并且這樣的調(diào)節(jié)應(yīng)該以同樣的方式去影響每路正向電流，以避免可能的色彩坐標(biāo)偏移。利用小型數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制流經(jīng)RSET電阻的電流可以得到均勻的亮度。

6位分辨率的轉(zhuǎn)換器，比如帶有I2C接口的MAX5362或者帶有SPI接口的MAX5365，能夠提供32級(jí)亮度調(diào)節(jié)(如圖10所示)。由于正向電流會(huì)影響色彩坐標(biāo)，因此LED白光會(huì)隨著光強(qiáng)的變化而改變。但是這并不是問題，因?yàn)橄嗤恼螂娏鲿?huì)使得這個(gè)組里的每個(gè)二極管都發(fā)出同樣的光。

圖10：數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過一致改變LED的正向電流來控制LED的調(diào)光。

使色彩坐標(biāo)不發(fā)生移動(dòng)的調(diào)光方案叫做脈寬調(diào)制。它能夠由絕大多數(shù)可以提供使能或者關(guān)斷控制的電源器件實(shí)現(xiàn)。例如，通過拉低EN電平禁止器件工作時(shí)，MAX1916可以將流經(jīng)LED的泄漏電流限定在1μA，使發(fā)射光為零。拉高EN電平可以管理可控的LED正向電流。如果給EN引腳加脈寬調(diào)制信號(hào)，那么亮度就與該信號(hào)的占空比成正比。

由于流經(jīng)每個(gè)LED的正向電流持續(xù)保持一致，因而色彩坐標(biāo)不會(huì)偏移。但是，肉眼會(huì)感覺到占空比改變帶來的光強(qiáng)變化。人眼無法分辨超過25Hz的頻率，因此200-300Hz的開關(guān)頻率是PWM調(diào)光的很好選擇。更高的頻率會(huì)產(chǎn)生問題，用來切換LED開關(guān)的短暫時(shí)間間隔內(nèi)色彩坐標(biāo)會(huì)發(fā)生變化。PWM信號(hào)可以由微處理器的I/O引腳或其外設(shè)提供?？商峁┑膬啥鹊燃?jí)取決于所用的計(jì)數(shù)寄存器的字節(jié)長度。

開關(guān)模式升壓轉(zhuǎn)換器，具有電流控制

除了前面所提到的電荷泵(MAX1912)之外，還可以實(shí)現(xiàn)帶有電流控制的升壓轉(zhuǎn)換器。比如，開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換器MAX1848，可以產(chǎn)生最高至13V的輸出電壓，足以驅(qū)動(dòng)三個(gè)串聯(lián)的LED(如圖11所示)。這種方法也許是最簡潔的，因?yàn)樗写拥腖ED具有完全相同的電流。LED電流由RSENSE與加載在CTRL輸入上的電壓共同決定。

圖11：數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過一致改變LED的正向電流來控制LED的調(diào)光。

MAX1848可以根據(jù)前面所描述的任一方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。通過LED的正向電流與加載在CTRL引腳的電壓成正比。由于當(dāng)加載在CTRL上的電壓低于100mV時(shí)MAX1848會(huì)進(jìn)入關(guān)斷模式，這樣也可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光功能。

本文小結(jié)

如果能夠通過使LED正向電流相等而確保白光發(fā)射的均勻性，則可以并聯(lián)驅(qū)動(dòng)白光LED。為驅(qū)動(dòng)LED，應(yīng)該選擇可控的電流源或者帶有電流控制的步進(jìn)轉(zhuǎn)換器。采用電荷泵或者開關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)這樣的與幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的結(jié)合。