LDO線性穩(wěn)壓器改善白光LED亮度匹配

使用固定偏置電壓和鎮(zhèn)流電阻為白光發(fā)射二極管（LED）供電的簡(jiǎn)單傳統(tǒng)方法會(huì)導(dǎo)致LED之間的亮度匹配不佳。這是由于LED正向電壓變化很大，有時(shí)高達(dá)1V。廉價(jià)的LDO線性穩(wěn)壓器可以通過(guò)調(diào)節(jié)LED電流和偏置電壓來(lái)響應(yīng)其中一個(gè)LED的正向電壓，將亮度匹配提高240%。

自幾年前發(fā)明以來(lái)，白光發(fā)光二極管（LED）一直在穩(wěn)步普及。由于它們提供比白熾燈泡更白的光，并且比熒光燈管更易于使用，因此它們?cè)诟鞣N照明應(yīng)用中穩(wěn)步獲得市場(chǎng)份額，例如手持電子設(shè)備中的手電筒和顯示器背光。然而，白光LED存在自己的一系列技術(shù)問(wèn)題。

使用白光LED時(shí)最明顯的問(wèn)題是它們的匹配有點(diǎn)差。例如，正向電壓Vf的典型白光LED規(guī)格在20mA時(shí)可能讀數(shù)為3.0V（最小值）、3.5V（典型值和4.0V最大值）。顯然，恒壓源不是解決方案。雖然實(shí)現(xiàn)匹配亮度的推薦方法是以相同的電流驅(qū)動(dòng)每個(gè)LED，但這可能很昂貴;因此，大多數(shù)應(yīng)用僅使用固定偏置電壓和鎮(zhèn)流電阻，如圖1所示。

圖1.大多數(shù)應(yīng)用只需使用固定偏置電壓（本例中為5V）和鎮(zhèn)流電阻（本例中為75Ω）即可實(shí)現(xiàn)近似白光LED亮度匹配。

在設(shè)計(jì)如圖1所示的電路時(shí)，通?？梢詫?shí)現(xiàn)相當(dāng)好的亮度匹配。然而，正如大多數(shù)參與大規(guī)模生產(chǎn)的人所知道的那樣，一個(gè)接一個(gè)地從裝配線上出來(lái)的產(chǎn)品表現(xiàn)出相當(dāng)一致的特性，但在生產(chǎn)過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)大量的批次差異。當(dāng)然，這適用于白光LED。通常，生產(chǎn)難題隨之而來(lái)，其中需要對(duì)每批新LED進(jìn)行表征并選擇不同的鎮(zhèn)流電阻值。如果使用多個(gè)白光LED供應(yīng)商，問(wèn)題將進(jìn)一步加劇。為了證明這一點(diǎn)，我們購(gòu)買了來(lái)自三家制造商的三款白光LED，并使用圖1所示電路進(jìn)行了測(cè)試。品牌A是從領(lǐng)先的白光LED制造商那里購(gòu)買的，LED裝在一個(gè)小塑料袋里。B品牌是從第二大白光LED制造商那里購(gòu)買的，LED以膠帶形式到達(dá)。C品牌，從較小的制造商，在當(dāng)?shù)氐囊患译娮由痰曩?gòu)買，LED是單獨(dú)包裝的。結(jié)果如表1所示。為了評(píng)估圖1電路的可制造性，購(gòu)買了來(lái)自三家制造商的三個(gè)白光LED，并測(cè)量了LED電流。請(qǐng)注意，品牌與品牌的匹配很差，如平均值的3.27mA標(biāo)準(zhǔn)差所示。

從表1的“Stdev”標(biāo)準(zhǔn)差列可以看出，每個(gè)品牌內(nèi)的匹配度都相當(dāng)不錯(cuò)。事實(shí)上，A品牌和B品牌表現(xiàn)出非常好的匹配。正如預(yù)期的那樣，品牌C的獨(dú)立封裝LED的匹配略松。品牌內(nèi)匹配的品質(zhì)因數(shù)0.54mA是通過(guò)取標(biāo)準(zhǔn)差的平均值獲得的。

從表1的“平均”平均值列可以看出，品牌與品牌的匹配相當(dāng)差。品牌A消耗最多（平均24.6mA），而品牌B消耗最少（平均18.3mA）。品牌與品牌匹配的品質(zhì)因數(shù) 3.27mA 是通過(guò)取平均值的標(biāo)準(zhǔn)差獲得的。

如前所述，調(diào)節(jié)單個(gè)LED電流或至少一個(gè)LED電流的解決方案將在產(chǎn)品的制造壽命內(nèi)提供更好的批次間和品牌間匹配。然而，這些解決方案通常需要相當(dāng)昂貴的IC。值得慶幸的是，如果成本比完美匹配更值得關(guān)注，那么廉價(jià)的低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器可以提供足夠的優(yōu)勢(shì)，避免每批新LED調(diào)整鎮(zhèn)流電阻值。圖2顯示了如何在介于電壓和電流調(diào)節(jié)模式中使用LDO，該模式根據(jù)其中一個(gè)LED的正向電壓自動(dòng)改變偏置電壓。

圖2.通過(guò)添加廉價(jià)的LDO使偏置電壓自動(dòng)可變，亮度 白光LED批次間和/或品牌間差異的匹配將得到顯著改善。

為了證明圖2的優(yōu)勢(shì)，再次測(cè)試了來(lái)自三家制造商的相同三個(gè)LED，結(jié)果如表2所示。雖然在品牌內(nèi)匹配方面略有妥協(xié)（0.77mA，表1為0.54mA），但品牌間匹配提高了340%（0.96mA，表1為3.27mA）！為了評(píng)估圖2電路的匹配性能，再次測(cè)試了相同的三批三個(gè)白光LED。請(qǐng)注意，品牌間匹配有了很大的改善，如平均值的0.96mA標(biāo)準(zhǔn)差與表1中的3.27mA所示。

注意，圖2中的LDO需要為外部可調(diào)類型，例如MAX8863，其反饋門限為1.25V（Vset）。此外，由于LDO具有關(guān)斷引腳，因此增加小型SOT-23封裝LDO的尺寸和成本被部分抵消，因此圖1所示的N溝道FET不再需要用于開(kāi)/關(guān)或PWM調(diào)光控制。LDO還具有其他優(yōu)點(diǎn)，例如LED短路保護(hù)、更寬的輸入電源電壓范圍，以及在5V電源由其他電路共享的情況下的PSRR。此外，A品牌LED不再“熱”運(yùn)行，從而減少了功耗壓力問(wèn)題。

圖3顯示了如何修改圖2中每個(gè)LED的15mA電流，這是大多數(shù)使用表面貼裝白光LED的便攜式背光應(yīng)用的要求。MAX8863支持多達(dá)8個(gè)LED，每個(gè)LED電流為15mA。由于LED的正向電壓和鎮(zhèn)流電阻兩端的電壓在15mA時(shí)較小，因此最小輸入電壓也較低。

圖3.MAX8863 LDO可以驅(qū)動(dòng)1至8個(gè)白光LED，每條LED的電流為15mA，無(wú)論LED批次間或品牌間差異如何，亮度匹配良好。

審核編輯：郭婷