白光LED驱动技术

摘要：随着目前市场上移动电话、便携电子设备等产品普遍采用彩色显示屏，应用于彩色LCD显示屏背光源的白色LED也得到了广泛关注。本文着重讨论几种驱动白光LED的方式，并以SC604A为例介绍了电荷泵驱动电路的一般原理。

关键词：白光LED；驱动；电荷泵

中图分类号：TN141文献标识码：A

The Driving Technology of White-Light LED

FENG Wei

(Fiberhome Telecommunication Technologies Co., Ltd.,Hubei Wuhan 430074, China)

Abstract: With the widely using of cellular phones and portable devices, white LEDs which used in color LCD displays backlight get broad attention also. This article will describe some methods of driving white LEDs and theory of driver used in charge pump with SC604A.

Keywords: white-light LED；driving；charge pump

1LED应用领域

越来越多的便携式消费电子产品（如手机、数码相机、PDA、MP3及PMP播放器等），配备了彩色显示屏，促使近两年中小尺寸显示屏产业飞速发展。在中小尺寸LCD显示屏中，一般采用白光LED作为显示屏的背光源。白光LED背光源一般由数个白光LED组成，手机、数码相机需要2～3个白光LED，而PDA和PMP则根据其显示屏的面积，可能需要3～6个LED。对背光驱动电路的要求是：满足背光的亮度要求、整个显示屏亮度均匀、亮度可以方便地调节、驱动电路外形尺寸尽量小、工作效率高、综合成本低、对系统其它模块干扰小[1]。

2白光LED的两种驱动方式

白光LED的亮度由流过管子的电流控制，最大亮度时所需电流约为20mA，随着电流的降低亮度逐渐变暗。白光LED在工作电流为20mA时，正向导通电压一般在3.1～3.5V。为白光LED供电需要特别的转换器，提供LED所需的正向导通的电压和恒定的驱动电流，减小电池电压变化时所引起的亮度变化以及不同LED之间的亮度不匹配。

白光LED驱动器基本上有两种驱动方式：一种是采用升压式电荷泵驱动电路，所有的LED并联在一起，一般也叫做并联型驱动方式，如图1（a）所示；另一种，是采用电感升压式DC/DC升压变换的原理来驱动，所有的LED串联接在一起，一般也叫做串联型驱动方式,如图1（b）所示。采用串联方式能够保证流过每只LED的电流相同，得到均匀的亮度，但它需要较高的驱动电压。采用并联方式驱动多只LED所需电压较低（一只LED的正向压降），但由于每只LED的正向压降不同，使得每只LED的亮度不同，除非采用单独调节的方式来保证每只LED有相同的亮度。

3两种驱动方式的比较

所有专为驱动白光LED而设计的IC都提供恒定电流，其中绝大多数是基于电感或电荷泵的解决方案，这两种解决方案各有其优缺点。

采用基于电感器的升压转换器原理进行驱动，所有的白光LED串联在一起，如图2（a）所示。它需要产生足够高的电压来满足所有串联在一起的LED正常工作所需要的偏置电压。采用这种方法，LED的亮度可以很好地匹配，因为无论LED的正向电压是多少，LED都能获得相同的电流。升压转换器的效率可能高于固定模式电荷泵，这取决于所需的负载电流和输出电压。

电荷泵解决方案或称为开关电容解决方案，利用分立电容将电源从输入端传送至输出端，整个过程不需使用任何电感，所以是受欢迎的解决方案。电荷泵电源的体积很小，设计也很简单，选择元件时通常只需根据元件规格从中挑选适当的电容。电荷泵解决方案的主要缺点是它只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵IC的转换比率最多只能达到输入电压的两倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的两倍，因此若想利用电荷泵驱动一个以上的白光LED，就必须采用并联驱动的方式，如图2（b）所示。

以下从几个方面对两种驱动方式进行对比：

（1）尺寸：并联驱动采用电荷泵式升压结构，外部引脚数较多，相应器件封装较大，但此种结构电路简单，仅需几个小尺寸贴片陶瓷电容即可，占印制板的空间极小。

与电荷泵解决方案相比，电感式升压转换器的引脚数较少，允许采用小尺寸封装，但电路需要占用较大面积的电感器件和肖特基二极管（有些电路将肖特基二极管集成在芯片内部，这样虽然能够实现小尺寸解决方案，但通常会降低效率）。电感使得整体尺寸变大，高度也较大。

（2）效率:目前，通过电路设计的优化，电荷泵式转换器电路采用自适应切换功能，可以在多种倍压模式下转换，提高电池效率。图3（a）图显示了电荷泵驱动结构在两种不同驱动电流下的典型效率曲线。当输入电压在降低至3.6V（LED典型正向压降）之前，转换器在1倍压线性模式下工作，采用低压差线性电流调节器能够在电池电压下降的过程中尽可能地保持在1倍压模式，从而取得高效率。最高效率的电荷泵采用了4种倍压模式，分别为1倍压、1.33倍压、1.5倍压和2倍压[2]，通过尽量延长1倍压线性工作模式的工作时间，在电源电压下降过程中，采取自适应功能，由低倍压模式逐渐切换到高倍压模式，延长电池的使用时间，从而改进电池效率。通过这种效率改进方式，采用电荷泵结构的驱动器峰值效率可高达90％以上，如图3（a)所示。

对于电感式升压转换器，在锂电池的整个输入电压范围内效率一般可达75％～80％，某些升压转换器通过使用外部校正器二极管，其效率也可达到85％（图3（b）[3]）。比较之下可见，还是采用多种升压模式的电荷泵在效率上略占优势。

（3）系统灵活性：电感式升压转换器的一个重要的优势是支持串联LED结构。从图2(a)图可以看出，串联配置的LED，在升压转换器和LED之间只需要2条连线。如果升压转换器或电荷泵电路放置在系统板，而LED模块放置在显示板上，这个优势非常重要。这种情况下，电感式升压转换器与LED模块间只需要极少的接点。除此之外，电感式升压转换器可以支持更多的LED模块，每个显示模块可以串联不同数量的LED。而且，在实际应用中可能不需要改变电感式升压转换电路即可更换显示模块；也可以在不改变显示模块的条件下更改升压转换器。由此可见，串联LED架构大大增强了系统的灵活性。

电荷泵式转换器只能驱动并联LED，从图2（b）图可以看出，并联配置的每个LED与转换器之间都需要2条连线。为了提高电荷泵的效率，在电池直接驱动模式下，每个LED需要一个单独的电流调节器。如果增加并联的LED数量，LED与转换器之间的连线也必须增加。而且，为了关闭不使用的电流源或者为增加LED必须增加电流源，有时也不得不改变转换器的内部电路结构。

(4)EMI干扰：考虑到EMI问题，大多数设计人员可能会倾向于采样电荷泵解决方案。电荷泵和电感升压转换器都是开关转换器，它们会在输入、输出端产生电压和电流纹波，在电感和开关节点产生EMI。有时，这些纹波和噪声会耦合到系统电路中，如手机的RF接收器，影响其性能。

电感式升压转换器把能量储存在电感的电磁场中，会比电荷泵电容产生更强的EMI。所以，在电感式升压转换器中建议使用屏蔽电感或对系统进行屏蔽。另外，升压转换器在电感和肖特基二极管的连接处有快速的高压波动，也可以通过在开关节点处加一个小电容来减小开关信号产生的EMI辐射，但这样做通常会牺牲效率。

通过上述比较，我们可以清楚地看到，无论是电荷泵解决方案，还是电感式升压结构，都无法满足所有的应用要求。选择解决方案时要根据具体的应用要求及关键的参数来综合权衡。总体来说，电荷泵式解决方案还是具有较大的优势。

4电荷泵式解决方案的典型应用

SC604A是一款高效率电荷泵白光LED驱动器，主要应用于手机、LED背光、PDA和LCD模块等领域。图4为SC604A的典型应用电路图，由图可以看到，电路仅需四个低成本的陶瓷电容和一个设置参考电流的电阻。

图5为SC604A模块电路方框图，图中包含分数充电泵、振荡电路、模式选择电路、输出挑选逻辑电路、电流设置电路和4个电流传感电路。

分数充电泵电路以1倍、1.5倍和2倍三种模式对输入电压进行放大。当放大模式为1倍时，电荷泵不开关，当电压放大模式为1.5倍和2倍时，电荷泵以固定频率250kHz进行开关，这样可以减小功耗，提高效率。

振荡电路产生频率为250kHz的固定时钟，控制电荷泵电路的充、放电周期。

基于电路工作情况，比如对LED电压、输入电压和负载电流等进行检测，将检测信号输入到误差比较器，通过误差比较器输出信号来控制模式挑选电路自动选择1倍、1.5倍或2倍工作模式。1倍是最有效的工作模式，其次为1.5倍，再次为2倍。在较低电源电压情况下需要一个较强的模式保持稳压，这时放大模式首先调整为1.5倍，然后调整为2倍。2倍模式比1倍模式工作时间要短很多。2倍模式持续工作到电池放电到2.85V或以下。需要最大电压降的LED决定了正确驱动所有输出所需要的输出电压。将所有LED阴极和整流输出VOUT与最低的阴极电压进行比较可以确保所有LED都能有效偏置。

输出选择逻辑电路控制4个LED灯的开关状态，3路控制共有8种不同的输出状态组合。电流设置电路通过外接1个电阻到内部基准电压点来进行电流设置。

电流传感器以电流镜映射的方式，对设置的基准电流以一定的倍数进行映射，提供给LED[4]。

SC604A白光LED驱动器，以电荷泵电路结构为升压解决方案，采用了1倍、1.5倍和2倍三种升压模式，通过稳压电路尽量延长1倍压工作模式，在电源电压下降过程中进行放大模式选择，其峰值效率可高达92％；通过电流镜映射的方式为每个LED提供驱动电流，其电流匹配度精确，偏差仅为±3％；电路简单，仅有少量的低成本电阻、电容器件；集中体现了电荷泵式升压解决方案的优势。

5结束语

本文简要介绍了白光LED的不同驱动方式，对电感升压式和电荷泵升压式两种驱动方式进行了比较，并通过SC604A的典型应用验证了电荷泵式升压解决方案的优势。

参考文献：

[1]余兴智.背光驱动电路的选择策略和应用[EB/OL]. www.省略/ARTICLES/ 2006 APR/－ＰDF/CPCOL_2006APR 11_POM_DIS_TA_04. PDF, 2006 -04-11.

[2]Anthony Russell 著, 天虹 译.新型高效而紧凑的白光LED驱动方案[EB/OL].省略/article/17149.htm,2006-11-11.

[3]美信产品集成公司.白光LED升压转换器和电荷泵的比较[EB/OL].www.省略 /ARTP_8800021482_400003_500009_TS.HTM,2007-07-20.

[4]SEMTECH.SC604A Low Noise, High Efficiency Regulated White LED Driver[Z]. Datasheet, 2005-04-27.

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