白色led背光源及其驅動電路設計分析

近幾年，業(yè)界開始大量采用LED替代CCFL和EL作為LCD的背光(背景光照明的簡稱)，與CCFL、EL相比．LED具有如下優(yōu)點：

1)可使LCD色彩更逼真，采用LED背光可以提供130％的NTSC色階，而CCFL僅為70％。色階的擴充使LCD影像色度更飽和、更逼真；

2)可使LCD厚度更薄，在18英寸LCD模塊中，LED背光厚度為4mm～6mm，CCFL為8mm～12nm；

3)壽命長，可達5萬小時；

4）符合環(huán)保要求，LED不含汞，

5）與EL背光相比，LED背光不會產生于擾。因此，LED背光廣泛用于PC、TV、汽車音響、手機、通信設備、個人數(shù)字助理(PDA)和手表等領域，它已成為LCD背光市場的主導產品。

2002年LED的市場需求量占背光市場總需求量的60％左右，目前，有綠、紅、藍和白色LED作為LCD的背光，由于價格因素，綠色LED居主流，約占LED背光產品的80％，它們的額定電流為2mA～20mA，亮度為600mcd。由于白色LED的成本較高，目前主要用于彩屏手機和彩屏PDA的背光以及汽車儀表的照明。

白色LED的發(fā)光機理及特性

1 發(fā)光機理

單芯片白色LED是一種含InGaN活性層的CaN發(fā)光二極管，它主要有兩種發(fā)光機理：一種是結合藍色LED和黃磷，通過藍光和磷發(fā)射的黃光的混合產生白光；另一種是通過紫外光LED和紅、藍、綠磷的組合產生白光。

2 特性

白色LED的主要特性有：正向壓降為3．5 V；發(fā)光效率大于20lm／W，優(yōu)于白熾燈泡，次于熒光燈(601m／W～100lm／W)，2004年，發(fā)光效率可提高到60lm／w，接近熒光燈水平，從而可大量用于照明市場；光通量為231m；封裝尺寸小。Nichia公司于2003年推出SMD型白色LED，型號為NSCW215，它是一種側視SMD型白色LED，高度為0．8/1mm，電流為20mA時，亮度達600mcd。Toyoda Gosei公司推出SMD型白色LED，尺寸為3．2 mm×2．8 mm，型號為TG white，電流為20mA時，亮度達100mcd，發(fā)光效率為4．5 lm／W～5 lmW。

citizen公司采用Nichia公司的白色LED裸片開發(fā)出迄今為止世界上最小的白色LED，其厚度為0．55 mm。Nichia公司的非SMD型白色LED的尺寸為11．2mm(寬)×7．2mm(長)×6mm(高)，壽命長，達5萬小時以上。白色LED在照明市場上的應用前景誘人，為此，世界各國LED廠商加緊開發(fā)大功率白色LED，如Nichia公司開發(fā)出大功率InGaN LED，功率達1 W～2 W，是現(xiàn)有LED的10倍。美國加州大學固態(tài)發(fā)光及顯示中心計劃在2007年前開發(fā)出發(fā)光效率為200lm／W的白色LED。

3 白色LED驅動電路

目前，白色LED主要用于彩屏手機和彩屏PDA，一個彩屏LCD的均勻背光需要3個～4個或更多的白色LED，智能手機可能需要6個或更多的白色LED。由于白色LED需求的增多。有力地推動了白色LED驅動器市場的增長。據(jù)Linear公司電源事業(yè)部產品營銷經理Tony Armstrong估計："2003年手機出貨量將超過4億部。其中至少有60％～70％是彩屏手機，此外。還將有1000部彩屏PDA，市場將有幾億塊白色LED驅動器的需求"，由于白色LED的正向壓降為3．5 V，當單節(jié)鋰電池相近，因此，需要一個升壓轉換器來解決白色LED的正向電壓問題。

目前，升壓有兩種解決方案：一是電荷泵方式(開關電容器)，其優(yōu)點是占用面積小，但效率低，國家半導體公司推出的白色LED驅動器采用這種開關電容，該公司認為，如果采用升壓轉換器，當驅動器處于斷電狀態(tài)時就會有漏電流；二是電感開關升壓方式，其優(yōu)點是效率高，但占用面積大。

目前，大多數(shù)白色LED驅動器廠商都采用電感開關升壓方式，如Catalyst公司的CAT32型白色LED驅動器，它工作在1．2MHz的固定頻率上，它可增強低電壓電池的電壓，并自動調整驅動電流，最多可支持4個串聯(lián)在一起的白色LED。該公司正在開發(fā)比CAT32更先進的白色LED驅動器，它可通過MPU對電流進行控制，并集成了無源元件，從而節(jié)約了成本。Linear公司推出片上集成肖特基二極管的白色LED驅動器，這樣，驅動電路只需兩個外部電容器、一個電阻器和一個電感器。而一般白色LED驅動器是集成MOSFET。

白色LED驅動電路由白色LED驅動器和外圍電路(包含晶體管、二極管、電感器、電容器和電阻器等)組成。驅動白色LED需要一個恒流源，電流一般為15mA～20mA。LED的亮度依賴于其正向電流，所以多個白色LED串聯(lián)使用，可保證流過每個白色LED的電流都相同。正向編置的4個串聯(lián)白色LED需14V電壓，該電壓通過升壓穩(wěn)壓器來提升單節(jié)鋰電池(2．7V～4．2V)故稱工作電壓來獲得。

例如一種單節(jié)鋰電池(2．7V～4．2V)供電的高效率白色LED驅動電路。選用的SP6682是一塊標準的穩(wěn)壓充電泵電路。它含有一個內部500kHz振蕩器，用以正常驅動充電泵電容器，使輸人電壓提高一倍。將相關電阻兩端的電壓與SP6682的0．3V參數(shù)電壓比較，該驅動電路的效率達87%。通常，市售的集成升壓穩(wěn)壓器以1．24V帶隙電壓作為反饋參考電壓，將使相關電阻兩端產生1．24V的壓降。從而使轉換效率降低7％。SP6682的0．3V參考電壓遠低于1．24V，而效率的降低與參考電壓成正比。MOSFET具有很小的導通電阻和很高的開關速度，這些參數(shù)優(yōu)于其他集成開關。MOSFET的擊穿電壓會限制最大輸出電壓，通過調節(jié)該電壓以驅動所需幾個白色LED的系統(tǒng)。在SP6682的啟動引腳6上加一個PWM信號，可使穩(wěn)壓器關閉和重新啟動，可以精確地控制白色LED的亮度。

雙節(jié)鋰電池(6V～8．4V)供電的白色LED驅動電路可以選用的白色LED驅動器，比如TI公司的TPS61042就是一塊適合雙節(jié)鋰電池供電的白色LED驅動器，但TPS61042的輸入電壓僅為1．8V～6 V，只要巧妙地將TPS61042的輸入電壓與功率級分開，就能使TPS61042驅動白色LED。將系統(tǒng)3．3V電壓接到驅動器的引腳VIN上，驅動器的功率級輸入直接連接到雙節(jié)鋰電池上。通常，功率級可連接到低于可需輸出電壓的任何電壓輸出端。由于升壓拓撲，功率級的輸入電壓必須低于輸出電壓，或者電感器和二極管直接將輸入電壓傳送到輸出端。引腳SW上的允許最大電壓為28 V，限制了功率級的最大輸入電壓。相關的驅動電路表明，輸入電壓越高，效率也越高。所以，驅動電路可以完全不受其輸入電壓范圍的限制，并能有效地節(jié)約系統(tǒng)成本和板極空間，還提高了效率。

對于單節(jié)1．5 V電池白色LED驅動電路，采用的是TI公司的SN74AUClGl4或Fairchild公司的NC7SPl4單柵施密特倒相器。只要施密特觸發(fā)器輸出高電平脈沖持續(xù)3μs，就可導致大約65 mA的峰值電感器電流，并使白色LED產生極高亮度的白光。即使電池電壓小到500mV，相應的33 mA峰值電流仍可使白色LED發(fā)出足夠亮的白光。在室溫下，這種測試電路僅需650mV的電壓就可啟動。

由此可見，要根據(jù)需要對不同尺寸的LCD和不同電池的電壓應采取不同的白色LED驅動電路。這樣才是最節(jié)能最高效的驅動電路。

簡介相關的英飛凌LED驅動器系列

英飛凌科技股份公司宣布推出新的低成本線性LED驅動器系列，樹立行業(yè)性價比基準，進一步壯大其高能效照明IC產品的陣容。全新推出的BCR320和BCR420產品系列可滿足市場對節(jié)能環(huán)保發(fā)光二極管（LED）照明解決方案的急劇增長的需求。額定電流為150毫安至200毫安的LED驅動器經過專門設計適用于驅動0.5瓦LED，具備負溫度系數(shù)，可延長LED的使用壽命，同時具備一個脈寬調制（PWM）信號的數(shù)字接口，實現(xiàn)亮度調節(jié)。
　　
　　不久前剛剛問世了能效更高的0.5WLED，英飛凌的0.5W LED驅動有望得到更廣泛的應用。然而，目前用于實現(xiàn)LED電流偏置的電阻器解決方案有巨大的缺陷，例如不均勻的光輸出，以及LED使用壽命縮短等。另外，開關模式驅動器無法滿足半瓦LED產品的價位要求，并且增加了組件數(shù)量和提高了驅動電路的復雜性。
　　
　　全新推出的BCR320和BCR420 LED驅動器經過專門設計克服了所有這些不足，為半瓦LED產品提供了一個成本極低、外形小巧和簡單易用的解決方案。
　　
　　采用這兩種器件進行產品設計，可避免使用電感器、電容器和續(xù)流二極管，因而可降低成本，大幅縮小占板空間。無需使用電解電容器還可延長LED產品的使用壽命。

BCR320系列和BCR420系列LED驅動器的技術說明
　　
　　BCR320產品經過專門設計，峰值輸出電流高達300毫安。為實現(xiàn)連續(xù)運行，建議最大標稱電流為250毫安。盡管這種器件的內部擊穿電壓的典型值為20伏，但它的工作電壓可達24伏或者更高，因為它是與LED串聯(lián)的。
　　
　　BCR320主要適用于一般照明、建筑照明和情調照明等應用。另一個快速增長的市場是商店照明，在門店中，0.5瓦LED是首選產品，因為它可確保光線更加柔和。BCR320器件具備負溫度系數(shù)，這意味著，在溫度升高的情況下，電流會以0.2%/K的斜率降低。BCR320U型號和BCR321U型號采用極小的SC-74封裝（2.9毫米x 2.5毫米 x 1.1毫米），功耗為1瓦。BCR320P型號和BCR321P型號采用SOT-223封裝（6.5毫米 x 7.0毫米 x 1.6毫米），功耗為2瓦。BCR321U型號和BCR321P型號提供一個邏輯電平輸入端口，用于亮度調節(jié)。
　　
　　相對于BCR320而言，BCR420系列具備更高的內部擊穿電壓和較低的輸出電流。BCR420的內部擊穿電壓的典型值為50伏，標準輸出電流為150毫安。該系列LED驅動器適用的應用與BCR320類似，最大驅動電流為150毫安。此外，該系列器件目前正在申請AECQ 101認證，旨在獲得應用于汽車產品的資格。BCR420和 BCR421都采用SC-74封裝。BCR421型號配備了一個微控制器接口，用于亮度調節(jié)。

　　目前BCR320U 和BCR420U LED 驅動器已投入量產。BCR320P 和 BCR321P預計將于2010年第一季度實現(xiàn)量產。