白色LED的恒流驅(qū)動(dòng)

摘要：用白色LED為顯示器或其他照明設(shè)備做背光源時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)，主要原因是：

1. 避免驅(qū)動(dòng)電流超出最大額定值，影響其可靠性。
2. 獲得預(yù)期的亮度要求，并保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性。

本文描述了典型LED的參數(shù)范圍和恒流驅(qū)動(dòng)電路。

圖1給出了六只隨機(jī)挑選的白光LED (其中三只來(lái)自兩家頂級(jí)產(chǎn)商)的正向電流隨正向電壓的變化關(guān)系曲線，這種情況下，如果用3.4V驅(qū)動(dòng)這六只LED，相應(yīng)的正向電流差別較大：10mA至44mA。


圖1. 六只隨機(jī)挑選的白光LED (其中三只來(lái)自兩家頂級(jí)產(chǎn)商)其正向電流與正向?qū)妷旱膶?duì)應(yīng)關(guān)系曲線。注意，對(duì)于任一給定電壓，正向電流變化范圍較大―10mA至44mA (3.4V電壓下)。

為保證可靠性，驅(qū)動(dòng)LED的電流必須低于LED額定值的要求，典型最大值一般為30mA，但是，從圖2可以看出：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)所允許的額定電流會(huì)降低，通常，當(dāng)溫度達(dá)到50°C時(shí)電流需限制在20mA以內(nèi)。通過觀察圖1、圖2不難得出這樣的結(jié)論：只是用恒壓方式驅(qū)動(dòng)白色LED的方案可靠性較差。


圖2. 一般情況下，白光LED正向電流的最大絕對(duì)值隨環(huán)境溫度的升高而降低(Courtesy Nichia Corporation)。

另外，用恒定電流驅(qū)動(dòng)白色LED還可以獲得亮度和色度的一致性。圖3給出了幾種通用的白色LED驅(qū)動(dòng)電路。


圖3. 對(duì)于典型的白光LED，通常在IF = 20mA下測(cè)試其電特性測(cè)。因此，為了得到預(yù)知的和匹配的亮度與色度，建議采用恒流驅(qū)動(dòng)(Courtesy Nichia Corporation)。

圖4給出了四種常用的電源電路，用于驅(qū)動(dòng)LED。圖5是相應(yīng)的對(duì)上述6只LED進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)得到的電流調(diào)節(jié)精度。圖5中調(diào)節(jié)器的輸出負(fù)載線畫在LED的Vf曲線圖上，兩條曲線的交點(diǎn)是各個(gè)LED的調(diào)節(jié)點(diǎn)。








圖4. 白色LED通常有四種不同的驅(qū)動(dòng)電路：(a) 電壓源與鎮(zhèn)流電阻，(b) 電流源與鎮(zhèn)流電阻，(c) 多路電流源，(d) 一路電流源驅(qū)動(dòng)串聯(lián)LED。






圖5. 各個(gè)白色LED的正向電壓(Vf)對(duì)調(diào)節(jié)電流精度的影響不同，取決于調(diào)節(jié)電路的結(jié)構(gòu)：(a) 電壓源與鎮(zhèn)流電阻，(b) 電流源與鎮(zhèn)流電阻，(c) 多路電流源或一路電流源驅(qū)動(dòng)串聯(lián)LED。6只LED (三只來(lái)自廠商A和廠商B)的Vf曲線如圖所示，調(diào)節(jié)器的輸出負(fù)載曲線與LED Vf曲線的交點(diǎn)即為穩(wěn)定的調(diào)節(jié)工作點(diǎn)。

圖4a所示電路用穩(wěn)壓源配合鎮(zhèn)流電阻控制LED的電流，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是選擇電壓源的余地很大，調(diào)節(jié)器與LED之間只需要一個(gè)連接端點(diǎn)；缺點(diǎn)是效率較低，這主要是鎮(zhèn)流電阻的損耗造成的，另外，它對(duì)LED正向電流的控制不是很精確。從圖5a測(cè)試曲線可以看出6只不同LED的電流變化范圍是：14.2mA至18.4mA，由廠商A提供的LED平均亮度要比廠商B高一些，工作電流高出2mA。

圖4b所示電路用于調(diào)節(jié)LED的總電流，鎮(zhèn)流電阻用于實(shí)現(xiàn)各LED之間的匹配。MAX1910采用的就是這種結(jié)構(gòu)，這種電路在驅(qū)動(dòng)同一廠商提供的同一批次的產(chǎn)品時(shí)可以獲得較好的效果。在與上述電路提供相同電流的條件下，可以減小鎮(zhèn)流電阻，使功耗降低一半。圖5b給出了六個(gè)不同LED驅(qū)動(dòng)電流的變化范圍：15.4mA至19.6mA，由廠商A提供的LED電流變化更小一些，來(lái)自廠商A和廠商B的LED平均控制電流相同：17.5mA。這種結(jié)構(gòu)的缺陷是鎮(zhèn)流電阻耗電仍然較大，而且，各LED電流的匹配性不是很好。但這種電路折衷考慮了性能和電路的簡(jiǎn)易程度。

圖4c可分別調(diào)節(jié)各LED的電流，無(wú)需鎮(zhèn)流電阻。電流調(diào)節(jié)精度和匹配度取決于每個(gè)獨(dú)立的電流調(diào)節(jié)器。MAX1570采用了這種電流源結(jié)構(gòu)，電流精度為2% 、匹配度達(dá)0.3% 。由于電流調(diào)節(jié)器允許較低的壓差，可以獲得較高的效率。圖5c表明所有被測(cè)試的6只白色LED電流均保持在穩(wěn)定的17.5mA，由于省去了鎮(zhèn)流電阻，可有效節(jié)省線路板面積，但在調(diào)節(jié)器與LED之間需要四個(gè)連接端。這種電路能夠提供較高的性能指標(biāo)，是基于電感結(jié)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)方案。

圖4d是一種基于電感的升壓電路，將其配置為電流調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)換效率較高。較低的反饋門限進(jìn)一步減小了檢流電阻的功率消耗，另外，因?yàn)長(zhǎng)ED按照串聯(lián)方式連接，任何工作條件下都能夠使LED的亮度保持一致。電流精度取決于調(diào)節(jié)器反饋門限的精度，不受LED正向?qū)妷鹤兓挠绊?。MAX1848和MAX1561是這種電流調(diào)節(jié)電路的兩個(gè)典型范例，轉(zhuǎn)換效率(PLED/PIN)可以達(dá)到87% (3只串聯(lián)LED)或84% (6只串聯(lián)LED)。這種電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在調(diào)節(jié)器與LED之間只需要兩個(gè)連接端點(diǎn)，為用戶的設(shè)計(jì)提供了一定的靈活性。但是，由于電路中采用了電感，與上述方案相比尺寸較大、成本較高、EMI輻射也較大。