在電池供電應(yīng)用中驅(qū)動(dòng) LED：高效控制亮度功率

本應(yīng)用筆記介紹了包括WLED在內(nèi)的LED的工作原理。該說明還解釋了如何在電池供電的LED應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)它們，包括鋰離子（Li+或Li-ion），鎳鎘（NiCd）和鎳氫（NiMH）可充電手持設(shè)備，其中功耗很重要。討論了LED亮度匹配以及串聯(lián)與并聯(lián)LED的值。還提供了幾個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用信息，這些驅(qū)動(dòng)器可以有效地驅(qū)動(dòng)和控制LED。

關(guān)于發(fā)光二極管

發(fā)光二極管 （LED） 是真空鎢絲燈泡的固態(tài)、高可靠性、高效率對(duì)應(yīng)物?；谏榛壛谆?（GaAsP） 的外延材料產(chǎn)生紅色、綠色或黃色輸出（圖 1）?；谙跛徙熸?（InGaN） 的材料產(chǎn)生藍(lán)色或白色輸出（圖 2）。不同的化學(xué)成分也會(huì)產(chǎn)生不同的電氣特性。

圖1.紅色、綠色和黃色二極管的相對(duì)光譜響應(yīng)（IF= 2毫安，T一個(gè)= +25°C）

圖2.白光二極管的相對(duì)光譜響應(yīng)（IF= 20毫安，T一個(gè)= +25°C）

在圖 1 和圖 2 中，曲線 V L表示人眼的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)。為了獲得白光，藍(lán)色發(fā)射器被在藍(lán)光刺激時(shí)發(fā)出黃光的材料覆蓋。眼睛將輸出解釋為白色，并產(chǎn)生圖2的光譜響應(yīng)。

偏置二極管

LED是電流驅(qū)動(dòng)器件，其中光輸出直接取決于通過它們的正向電流。一個(gè)簡(jiǎn)單的偏置電路將電流（以及光輸出）保持在合理的恒定值，與與LED串聯(lián)的單個(gè)限流電阻器匹配目標(biāo)電源（圖3）。

圖3.LED 偏置，每個(gè) LED 只有一個(gè)電阻

這種設(shè)計(jì)方法成本低，但由于每個(gè)LED之間的VF值分布，允許電流變化。圖4和圖5顯示了典型正向電壓特性與正向電流的關(guān)系，顯示了+25°C時(shí)的變化。 在20mA時(shí)，GaAsP LED的VF最大值上升至+2.7V，InGaN LED的VF最大值上升至+4.5V。對(duì)于需要多個(gè)二極管的系統(tǒng)，例如手機(jī)顯示器背光（8個(gè)LED），額外的電阻器占用了相當(dāng)多的印刷電路板面積。

圖4.典型砷化鎵正向電壓與正向電流的關(guān)系，在+25°C時(shí)

圖5.+25°C時(shí)典型InGaN正向電壓與正向電流的關(guān)系

你可以減少V的影響F通過增加 V 值來變化源.然而，這種方法浪費(fèi)了電力，并且與低壓電池電源（如單個(gè)鋰離子電池）不兼容。鋰離子端電壓從充滿電時(shí)的+4.2V到放電時(shí)的+3V不等。因此，由該電源供電且具有簡(jiǎn)單電阻偏置的LED將表現(xiàn)出明顯的光輸出變化。因此，與電阻偏置相比，更好的方法（用于改善壓差并穩(wěn)定光強(qiáng)度隨電源電壓的變化）采用電流偏置。

電流偏置

顧名思義，LED連接到電流源。假設(shè)電流源具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，這種偏置方法消除了V的影響F變化。因此，單個(gè)電流源取代了圖5所示的各個(gè)電阻（圖6）。因此，假設(shè)有足夠的電源電壓來偏置電流源和LED，則光輸出與電源和正向電壓無關(guān)。與之前一樣，Q1提供了一個(gè)使能開關(guān)。

圖6.帶電流源的 LED 偏置

MAX1916提供了一種簡(jiǎn)單的LED電流偏置方法。MAX6在小型23引腳SOT7表貼封裝（圖1916）中集成三個(gè)電流源，實(shí)現(xiàn)圖6所示的電流源方式。SET電阻中的電流鏡像在三個(gè)OUT端子上。對(duì)于電流“鏡子”，如果n個(gè)相同MOS晶體管的柵源電位相等，則它們的通道電流也將相等。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，如果鏡像MOS器件（Q2、Q3和Q4）比鏡面MOS器件（Q1）大m倍，則輸出電流比鏡面電流（I設(shè)置).

最后，集成電路比分立電路實(shí)現(xiàn)更精確的電流比。

圖7.MAX1916 LED電流鏡的簡(jiǎn)化圖

MAX1916輸出之間的電流失配最大值為5%，鏡像常數(shù)為230A/A ±10%。我外由以下人員給出：

我外= 230 I設(shè)置.

SET端子內(nèi)部偏置至+1.215V ±5%，產(chǎn)生以下SET電流：

我設(shè)置= （VSOURCE - 1.215V）/R設(shè)置.

任何 LED 電流與任何其他 LED 電流的距離均不超過 5%。例如，如果一個(gè) LED 電流為：

207 一設(shè)置（-10%），則剩余 LED 電流必須介于 207 I 之間設(shè)置和 218 I設(shè)置.

輸出飽和電壓是非線性的，不能用電阻器建模。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的代表性最大值為+0.410V/20mA、+0.360V/10mA和+0.180V/5mA。

因此，工作在5mA的低電流GaAsP二極管需要VF + 180mV的最小電壓才能正常工作，并且LED工作電壓可以保持在+2.9V以下。低壓差值表明MAX1916在極低的漏源電壓下仍能保持穩(wěn)壓狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)更低的壓差和更高的輸出電流，MAX1916輸出可以并聯(lián)，鏡像常數(shù)為690。

設(shè)定電流端子的電壓電源可以獨(dú)立于主大電流電源。例如，對(duì)于工作在蜂窩無線電的MAX1916，VSET可以從RF電路的低噪聲+2.8V電源獲得。當(dāng)直接由單節(jié)鋰電池供電時(shí)，MAX1916適合與GaAsP低正向壓降LED配合使用。由鋰電池供電的InGaN WLED需要不同的方法，因?yàn)檩斎腚妷嚎赡懿蛔阋云眠@些LED。

用于 WLED 的無電感升壓電源

WLED 應(yīng)用需要升壓電源，因?yàn)?WLED 的正向電壓（+3.5V 至 +4.5V/20mA）高于其他 LED 類型。過去，電荷泵升壓電源與MAX1916配對(duì)即可解決這個(gè)問題。然而，這些功能已結(jié)合在MAX1575/MAX1576控制器中，因此需要更少的空間和更低的成本。

MAX1574/MAX1575/MAX1576提供高輸出電流、良好的電流匹配、用于高效率的自適應(yīng)模式切換、過壓保護(hù)和多達(dá)8個(gè)LED驅(qū)動(dòng)引腳。采用串行脈沖代碼方案，可通過雙模式?使能引腳實(shí)現(xiàn)設(shè)定電流百分比的可編程調(diào)光。

圖8所示為MAX1574電荷泵驅(qū)動(dòng)3個(gè)LED，總輸出電流高達(dá)180mA。1MHz 開關(guān)速率允許在電荷泵中使用小型陶瓷電容器。

圖9所示為MAX1576電荷泵驅(qū)動(dòng)兩組4個(gè)LED，總輸出電流高達(dá)480mA。閃光燈組允許每個(gè)LED高達(dá)100mA;每組具有獨(dú)立的設(shè)定電流、串行脈沖調(diào)光和 2 線對(duì)數(shù)調(diào)光控制。通過自適應(yīng)模式切換，單個(gè)鋰電池放電曲線上的平均效率為 83%（圖 10）。MAX1576非常適合使用LED閃光燈的數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用。

MAX1575為器件型號(hào)，以4mA總輸出驅(qū)動(dòng)兩組LED（2個(gè)主LED和120個(gè)副LED）。

圖8.集成電荷泵，帶一組 LED 電流源

圖9.帶兩組 LED 電流源的集成電荷泵

圖 10.MAX1576在典型鋰電池電壓下的效率

基于電感的WLED控制器

MAX8在23引腳SOT1848封裝中集成了升壓轉(zhuǎn)換器和電流檢測(cè)功能，可以從+3.2V至+6.5V輸入電源驅(qū)動(dòng)多達(dá)兩串5個(gè)WLED（圖11）。MAX1848采用電壓反饋來調(diào)節(jié)進(jìn)入LED的電流。模擬控制設(shè)置整體 LED 亮度;驅(qū)動(dòng)雙?？刂埔_的DAC或分壓器設(shè)置LED電流。所示電路的電壓控制范圍為+250mV至+3.3V，LED電流范圍小于每串2mA至20mA （關(guān)斷為0V）。然而，對(duì)于并聯(lián)串，串之間的亮度匹配可能是一個(gè)問題，因此以犧牲效率為代價(jià)增加了額外的串聯(lián)電阻。一個(gè)好的折衷方案是每個(gè)LED增加20Ω，或?yàn)?0個(gè)LED增加3Ω。

圖 11.電流調(diào)節(jié)采用MAX1848電感式升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)多達(dá)6個(gè)LED

圖 12.電流調(diào)節(jié)采用MAX8595X電感式升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)多達(dá)9個(gè)LED。

MAX1848的器件數(shù)量較少，如圖12所示，使用MAX8595/MAX8596高壓控制器。MAX8595X可在9mA電流下驅(qū)動(dòng)25個(gè)LED。MAX8596X增加溫度降額，使LED電流在高于+42°C環(huán)境溫度時(shí)下降。MAX8596Z可驅(qū)動(dòng)多達(dá)8個(gè)LED。

雙模式控制引腳允許使用補(bǔ)償引腳上的電容作為濾波器進(jìn)行邏輯電平 PWM 調(diào)光?？梢允褂?00Hz至200KHz的頻率。占空比從 0 到 100% 產(chǎn)生從 0 到滿值的輸出電流。也可以使用來自DAC的簡(jiǎn)單模擬電壓電平。在這種情況下，輸出電流檢測(cè)電壓等于控制電壓的1/5，直至箝位電壓。箝位電壓將 LED 電流限制為滿值，即使控制電壓增加到限值以上也是如此。

內(nèi)部振蕩器的工作頻率為1MHz，允許使用小型元件。可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 86% 的效率。MAX8596提供最小的封裝和最少的LED驅(qū)動(dòng)元件數(shù)量。

MAX8790A為高效率、電流模式升壓驅(qū)動(dòng)器，適用于WLED應(yīng)用的多串并聯(lián)。MAX8790A可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián)LED的<>個(gè)并聯(lián)串。它提供兩種調(diào)光控制：模擬調(diào)光可提高轉(zhuǎn)換器效率，數(shù)字調(diào)光可減少色彩失真。

圖 13.MAX8790A電感升壓轉(zhuǎn)換器可驅(qū)動(dòng)多達(dá)<>個(gè)并聯(lián)LED鏈

審核編輯：郭婷