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利用高效LED驅(qū)動模式實現(xiàn)更為理想的LED照明設(shè)備

作者: 時間:2011-06-29 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  進(jìn)入二十一世紀(jì),能源消耗日益成為整個人類社會關(guān)注的焦點(diǎn)。出于對于的基本需求,如何更有效的利用各種能源產(chǎn)生更多的,成為探索新的技術(shù)的巨大驅(qū)動力。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,催生出照明技術(shù)。在如今社會,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進(jìn)行照明。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,置于一個有引線的架子上,然后四周用環(huán)氧樹脂密封,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)體之間有一個過渡層,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)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來,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(即兩端加上正向電壓),電流從LED陽極流向陰極時,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,供電電壓根據(jù)最終產(chǎn)品不同而異,是一個比較安全的照明設(shè)備,特別適用于公共場所。

  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10萬小時,光衰為初始的50%。

  5.響應(yīng)時間:其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級,LED燈的響應(yīng)時間為納秒級。

  6.對環(huán)境污染:無有害金屬汞。

  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.價格:與白熾燈相比,LED的價格較高,幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當(dāng),不過隨著技術(shù)工藝的進(jìn)步,可以逐步提升性價比。

  LED驅(qū)動方案

  LED自問世以來,就得到人們的極大關(guān)注,LED驅(qū)動器件和驅(qū)動方式不斷更新以便更加有效地驅(qū)動LED為人類照明。從早期的DC/DC開關(guān)電源到電荷泵,以及追求成本的低邊驅(qū)動和LDO,人們在不同的應(yīng)用情況下選用不同的驅(qū)動線路,作為市場關(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,下文將針對便攜產(chǎn)品的背光顯示,介紹當(dāng)前幾種常見的LED驅(qū)動方案。

  1. Step-UP DC/DC開關(guān)電源實現(xiàn)LED驅(qū)動

  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 開關(guān)電源實現(xiàn)LED驅(qū)動的典型應(yīng)用線路。

  對于這種應(yīng)用方式,早期的驅(qū)動芯片主要采用電流反饋方式,按照VFB/Rb來確定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,成本相對較低,通過一些新的技術(shù)革新,例如圖1所示的過壓保護(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實現(xiàn)屏幕背光,因而亮度的一致性和均勻性是必須面對的挑戰(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)砉こ淘O(shè)計人員不愿意面對的問題-EMI處理,尤其在靠近射頻部分,需要針對干擾做專門的處理,否則會導(dǎo)致射頻接收靈敏度降低,甚至帶來音頻部分的干擾,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LED發(fā)生故障就會導(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

  這是一種比較新的驅(qū)動方式。簡單來說電容式電荷泵通過開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現(xiàn)電壓提升,采用電容器來貯存能量。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,則可以通過大的PCB過孔以及多個過孔來實現(xiàn)良好接地。

  效率計算方法:η=Iout*Vout/Iin*Vin

  由于器件本身存在開關(guān)損耗以及電容漏電,因而實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的優(yōu)點(diǎn)在于,可以簡化外圍線路、降低產(chǎn)品成本。尤其在小尺寸屏的情況下,1-2個LED做屏幕背光;或者用做閃光燈驅(qū)動,在100mS內(nèi)達(dá)到250mA電流的輸出;或者是簡單的DC/DC 5V升壓簡化版本,替代電感DC/DC升壓,降低成本以及產(chǎn)品EMI問題。缺點(diǎn)在于只有簡單的兩倍升壓模式,效率較低,大多數(shù)時間效率低于70%,實際利用效率更低,其中有相當(dāng)一部分消耗在限流電阻上。在驅(qū)動多個LED的時候,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,對于恒流模式的電荷泵來講,通過內(nèi)部的邏輯控制來實現(xiàn)對每一路LED實現(xiàn)均流,使LED的亮度保持相等,與此同時,盡可能地提高LED的驅(qū)動效率。

  在這種應(yīng)用中,通過電流鏡像控制技術(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2%,并且1X、1.5X升壓模式使驅(qū)動LED的效率得到兼顧,LED在大部分工作時間內(nèi),驅(qū)動效率可以保證在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。

  利用不同的阻值來設(shè)置LED輸出電流:ILED=Gain*VIset/RIset。不同廠家Gain系數(shù)不同。人們在對電荷泵技術(shù)革新的同時,也發(fā)現(xiàn)利用它驅(qū)動LED相對于DC/DC的一系列優(yōu)點(diǎn),降低成本,縮小驅(qū)動板的尺寸,避免EMI干擾。

  3. 對于成本及性能的追求,也存在著一系列其他的驅(qū)動方式例如低邊LED驅(qū)動。相比較恒流模式的電荷泵,僅缺少電荷泵升壓,對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,MP4播放影片,會造成電壓波動,電壓會下降0.1~0.2V,那么在系統(tǒng)電壓會瞬間降到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)動芯片產(chǎn)品。

  4. 成本的壓力促使采用更低成本的LDO來做系統(tǒng)背光。用LDO作LED驅(qū)動與上述方案比較,除了成本較低,無論是電壓模式電荷泵SGM3110驅(qū)動3個以上LED會存在亮度不均勻的缺點(diǎn),還有低邊驅(qū)動電壓不穩(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),在不久的將來會開發(fā)出越來越多適應(yīng)市場應(yīng)用需求的產(chǎn)品,例如7通道DC/DC,多路PMU,單路DC/DC開關(guān)電源以及各種LED驅(qū)動(DC/DC、電荷泵、低邊驅(qū)動)。

  目前圣邦微電子已有10個系列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)自動控制、醫(yī)療儀器、液晶顯示和軍工國防等眾多領(lǐng)域。圣邦擁有先進(jìn)的品質(zhì)保證體系,已于2004年通過ISO9001認(rèn)證,全部產(chǎn)品都符合RoHS規(guī)范。



關(guān)鍵詞: LED 驅(qū)動模式 照明

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