白光LED驱动电路的设计

1、白光LED驱动电路的设计1、  LED">白光LED基本驱动电路由开关变换器构成的LED基本驱动电路如图1所示，反馈电压VFB与内部基准电压Vref进行比较后控制变换器的输出电压。如果将环境的亮度也列入LED">白光LED亮度控制电路，图1所示的LED">白光LED驱动电路应改进为图2所示的电路。图2所示电路与图1所示电路的最大差异点是，图2所示 电路增加了Tr1、R1、R2及IC1。图2所示电路中的Tr1输出电压VSENS与LED">白光LED的电流ILED可用下式表示；    

2、       （1）此处假设R1=R2，则式（1）改写为                    （2）对于利用上式驱动LED">白光LED的场合，必须作下列调整：     为获得周围亮度，必须调整照度感测器的输出电压VSENS。     利用输出电压VS

3、ENS调整LED">白光LED的亮度。2、  利用PWM信号控制LED">白光LED亮度的驱动电路        图2所示的驱动电路是采用反馈电压进行LED亮度控制的，而图3所示的电路是采用PWM信号控制LED">白光LED的亮度。如图3所示电路中，IC的EN端子是可使开关变换器作ON/OFF模式运行的端子，如果对EN端子施加PWM信号，LED">白光LED会以某种速度作ON/OFF模式运行，进而实现LED亮度的控制。此电路中Tr1的输出信号需经A/D

4、转换器转换为数字信号。LED">白光LED的平均电流ILED（avg）可用下式计算：                      （3）式中：ILED(max)为开关变换器的输出电流；SDUTY为PWM信号的占空因子（%）。图4是NJU6052的内部电路方框图，它包括电压调整器、设定电路、A/D变换器、PWM控制器以及可由微控制器设定内部阻抗值与动作模式的串行接口等。NJU

5、6052内部共有8个设定电阻，每个电阻都可任意设成6位，各电阻可利用环境照度检测晶体管产生的输入电压选择，以实现LED">白光LED亮度由64阶段中的任意8阶段控制，此外可根据环境照度由微控器直接控制亮度。分页由图5可知，NJU6052除了可以用于升压与亮度控制之外，电路本身的外置元件非常少。NIU6052的各元件参数取决于下列条件：     负载阻抗RL。由于内部基准电压V ref为0.6V，因此负载阻抗RL可按下式计算：          

6、60;                （4）     内部振荡器的电容量CX。CX可利用图6的坐标图求得。由于振荡频率f OSC介于350kHz和500kHz之间，因此内部振荡器的电容量CX为4768pF。     L1的电感值。L1的电感值可用下式计算：        

7、0;             （5）     二极管的选用。二极管额定电流与反向耐压在选择时要留有一定的裕度，具体参数应根据开关变换器的输出电压和电流来选择。二极管的正向电压越低，开关的速度越快，转换效率就越高。     电容器的选用。输入端可选用陶瓷电容器，组装时尽量靠近NIU6052。基于抑制波纹电压等方面的考虑，输出电容应选用低ESR的电容。分页3、  调光改变光强功能采用MAX1

8、916同时驱动三只并联的LED的电路如图7所示。图7所示电路的单个外部电阻（RSET）用于设定流经每个LED">白光LED的电流值。在MAX1916的使能引脚（EN）上加载脉宽调制信号，可以实现简单的亮度控制（调光功能）。图7所示电路除MAX1916（小巧的6引脚SOT-23封装）和几个旁路电容之外，仅需要一个外部电阻。MAX1916具有极好的电流匹配度，不同LED之间的差别仅为0.3%，因此每只LED">白光LED具有一致的白光亮度。某些便携式设备根据环境光线条件来调节其光输出亮度，有些设备在一段较短的空闲时间之后通过软件降低其光强。这都要求LED"

9、>白光LED驱动电路具有可调光强的功能，并且这样的调节应该以同样的方式去控制每路正向电流，以避免可能的色彩坐标偏移。利用小型D/A变换器控制流以RSET电阻的电流可以得到均匀的亮度。6位分辨率的变换器，比如带有I2C接口的MAX5362或者带有SPI接口的MAX5365，能够提供32级亮度调节，如图8所示。由于正向电流会影响色彩坐标，因此LED">白光LED发出的白光会随着光强的变化而改变。因为相同的正向电流会使得这个组里的每个LED">白光LED都发出同样的光。使色彩坐标不发生移动的调光方案叫做脉宽调制。它能够由绝大多数可以提供使能或者关断控制功能的电源

10、器件实现。例如，通过拉低EN电平禁止器件工作时， MAX1916可以将流经LED">白光LED的泄漏电流限定在1A，使发射光为零。拉高EN电平可以控制LED">白光LED的正向电流。如果给EN引脚加脉宽调制信号，那么亮度就与该信号的占空比成正比。由于流经每只LED">白光LED的正向电流持续保持一致，因而色彩坐标不会偏移，但是肉眼会感觉到占空比改变带来的光强变化。人眼无法分辨超过25Hz的频率，因此200300Hz的开关频率是PWM调光的很好选择。PWM信号可以由微处理器的I/O引脚或其外部设备提供，控制等级取决于所用的计数寄存器的字节长度。MA

11、X1916内部配置有三路可调电流源，可驱动多种LED，直接采用单节锂离子电池供电可驱动红光、绿光或黄光GaAsP LED；配合电荷泵升压变换器，MAX1916还可用于驱动白光InGaN LED。对于有更高功率要求的应用，需采用基于电感的MAX1848变换器，外部只需要极少的组件，输出功率为800mW时转换效率达88%。分页4、  具有电流控制功能的开关模式升压变换器开关模式电压变换器MAX1848可以产生最高为13V的输出电压，足以驱动三个串联的LED">白光LED，如图9所示。这种方法也许是最简洁的，因为所串接的LED">白光LED具有完全相同的电流

12、。LED">白光LED的电流由RSENSE与施加在CTRL引脚上的电压共同决定。MAX1848可以驱动几只串联的LED">白光LED，这些LED">白光LED都具有相同的正向电流。通过LED">白光LED的正向电流与施加在CTRL引脚的电压成正比。由于当施加在CTRL引脚上的电压低于100mV时MAX1848会进入关断模式，这样也可以实现PWM调光功能。MAX1848将升压变换器与电流控制电路集成在6引脚SOT-23封装内，利用电流检测驱动三组LED，每组LED">白光LED包括三只串行连接的LED"&g

13、t;白光LED，如图10所示。输入电压范围为2.65.5V。MAX1848利用电压反馈结构调节流过LED的电流，较小的检流电阻（5）有利于降低功耗和保持较高的转换效率。模拟控制器用于控制所有LED">白光LED的亮度。典型应用电路的参数为：L1=33H，CCOMP=150nF，COUT=1.0F，RSENSE=5。LED">白光LED的电流由控制电压确定：IOUT=VCTRL/13.33VCTRLRSENSE          （6）LED">白光LED的亮

14、度可以通过CTRL引脚的D/A变换器或电位器分压电路调节。电压控制范围为+250mV+5.5V，将控制引脚接地可实现关断。负载功率为800mW时电路转换效率达88%。5、  LED">白光LED驱动器设计在许多LED">白光LED的背光应用中，屏幕都需要背光调整功能，例如PDA等产品在使用中就能调整屏幕亮度，以适应周围环境。还有许多产品的处理器会在系统闲置一段时间后，自动降低或切断背光电源。调光功能的实现方式可分为两种：模拟方式和PWM方式。采用模拟方式调光技术时，只需将LED">白光LED的电流降至最大值的一半，就能让屏幕亮度减少50

15、%。这种方法的缺点是：LED">白光LED色移需要模拟控制信号。PWM方式调光技术在减少的电流占空周期内提供完整电流给白光 LED，例如要将亮度减半，只需要50%的占空周期内提供完整的电流。PWM信号的频率通常会超过100Hz，以确保这个脉冲电流不会被眼睛察觉到， PWM频率的最大值需视电源的启动和反应时间而定。为了得到最大的灵活性，同时让实现更容易，LED">白光LED驱动器最高应能接受50kHz的PWM频率。调光信号通常来自系统处理器的GPIO引脚。分页在LED">白光LED应用中，若出现开路故障，恒定电流的LED">白光LE

16、D驱动器需要过电压保护。LED">白光LED和驱动器通常在不同的电路板上，因此连接器的管脚松脱就会造成开路故障，另一个可能性则是LED">白光LED造成开路。无论是哪一种情形，驱动器为了提供恒定电流，都会增加它的输出电压。此时若无过电压保护电路，输出电压很快就会升高，对驱动器或输出电容造成损害。保护驱动器最简单的方法是选择内置过电压比较器的LED">白光LED驱动器，并利用此功能来限制最大输出电压，例如 TPS61043就具备过电压保护功能。齐纳二极管也可用来限制最大输出电压，然而这种方法的效率很低，因为在故障情况下会有预先设定的最大电流通过齐纳

17、二极管。所有专为驱动LED">白光LED而设计的集成电路都提供恒定电流，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。电荷泵解决方案是利用分立电容将电源从输入端传送至输出端，整个过程不需要使用任何电感，所以是应用得较为广泛的驱动LED">白光LED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选择适当的电容。电荷泵解决方案的主要缺点是只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵的输出电压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只以上的LED"

18、>白光LED，就必须采用并联驱动的方式。而利用输出电压进行稳压的电荷泵驱动多只LED">白光LED时，必须使用限流电阻来防止电流分配不平均，但这些电阻会降低电池的使用效率。电感式驱动电路体积小、效率高，适合为绝大多数便携式电子产品提供更长的电池使用时间。在应用中可以调整电感式变换器的效率，以便在体积和效率之间取得最佳平衡。由于大多数电感式解决方案都是采用升压变换器，如图11所示的升压式解决方案最多能驱动六只或七只串联的LED">白光LED。这种做法的优点是，因为许多显示器内置的LED">白光LED都采用串联模式，即使未将LED"&

19、gt;白光LED内置于显示器屏幕中，但大多数还是将它们串联在一起。背光驱动器和LED">白光LED通常会在不同的电路板上，因此必须将电源从一块电路板连接至另一块电路板。驱动五只并联的LED">白光LED共需使用连接器的六个管脚，而驱动串联在一起的五只LED">白光LED只需要两个管脚。6、  设计实例多功能移动电话屏幕的LED">白光LED驱动器的电源是由输入电压在2.7V和4.2V之间的锂离子电池供应的。移动电话屏幕内置四只串联的LED">白光LED，每只的最大正向电流为20mA，这种设计需要20mA最

20、大输出电流和16V电压。该移动电话规格要求具有屏幕亮度调整功能，移动电话在闲置一般时间后能够逐渐降低屏幕亮度。系统处理器负责提供PWM调光功能所需的数字信号。电池使用寿命是主要考虑的因素，因此效率应尽量提高。移动电话屏幕大约有98%的时间处于待机模式，因此要求LED">白光LED驱动器电源具有负载切断功能，以便延长电池的使用时间。移动电话受到体积限制，需要小型的集成化解决方案，采用 TPS61043能满足这些要求。它是电感式升压变换器，内置功率FET管，它也是专为LED">白光LED而设计的驱动器。TPS61043还提供负载切断、过电压保护和PWM调光功能，其1

21、MHz的开关频率能够使用体积最小的外部元器件。（1）       检测电阻的选择采用TPS61043构成LED">白光LED驱动器电源的外部电路的设计主要是如何正确选择外部元器件，同时完成适当的电路布局。电流检测电阻值是由 TPS61043的参考电压0.252V除以所要求的LED">白光LED的最大电流0.02A来决定的，即电流检测电阻值为12.6，电阻的功耗为5mW，因此可选择0402型电阻器以节省电路板面积。（2）       电感的选择选

22、择适当的电感不仅可确保设计符合效率要求，而且也能满足有限的电路板面积要求。选择电感时必须考虑的三项参数有：电感值、饱和电流和线圈阻抗（DCR）。如同所有的开关式变换器一样，选择电感就是在效率和电路板面积间作出折中考虑，较大的电感值可提供更小的阻抗、更高的效率和更大的饱和电流额定值，较小的电感则使用较小的电路板面积，饱和电流额定值也较小，但线圈阻抗却比较大，因此整体效率较低。在传统的升压式变换器中，输出电感和电容会决定变换器的反馈回路是否稳定，因此被选中的电感、电容和补偿网络的器件都必须经过测试，确保电路能够稳定工作。TPS61043采用先进的控制电路，无论采用多大的电感值，电路都能确保电源工作

23、稳定，因此不必考虑反馈补偿的问题。在这个控制电路中，开关频率FS由电感值、输入电压、输出电压和负载电流所决定，其计算公式如下：                 （7）式中：IOUT是LED">白光LED的电流（最大值为0.02A）；VOUT是输出电压（最大值为16V）；VIN是输入电压（最小值为2.7V）；VF是逆向电压保护二极管的正向电压，取0.4V；Ilim是峰值开关电流（为0.4A，由控制拓扑决定）；LOUT是电感

24、值。既然电感的体积是重要的设计参数，电源当然应使用很高的开关频率，但由于电感式变换器的开关损耗会受到开关频率的影响，因此频率越高通常就代表效率越低，而较低的开关频率可以提供较高效率。要如何选择最适当的开关频率，才能将变换器的开关损耗减至最少，这个问题目前仍没有任何最终方程式可供求解。典型的设计步骤是选择一个接近最大可能频率的频率来设计变换器，然后重新调整开关频率和测量工作效率，直到其参数达到满意为止。将开关频率任意设为700kHz，利用公式计算出电感值为4.8H，实际电路采用4.7H的标准电感。无论电源或负载的状况如何，TPS61043控制电路都会将电感的峰值电流设为400mA，因此将电感的饱

25、和设为400mA。第三项参数是线圈阻抗，它会决定电感的体积，并且对设计的整体效率有重大影响。本电路选用的电感是饱和电流为650mA的4.7H电感，线圈阻抗为150m （LQH32CN4R7）。这个电感的体积则只有8.2cm 白光LED的并联和串联驱动2007-08-07 00:00:00  新闻来源：电子元器件网    白光LED被普遍用作便携式设备LCD的背光光源，原因是它们的复杂程度低、成本低且尺寸小于CCFL背光光源。PDA、移动电话和数码相机等便携式设备已逐步过渡到彩色LCD显示屏，因此，越来越多的产品需要背光光源。白光LED已成为一种

26、通用的照明光源。单色显示器可以使用电致发光背光灯或彩色LED作为背光光源，而彩色显示器则需要白光灯源，以正确显示色彩。目前提供白光灯源的方法主要有两种：白光LED和CCFL。CCFL在笔记本电脑中已经应用了很多年，但是考虑到光源尺寸、复杂性及成本优势，白光LED成为小型手持设备的首选光源。    白光LED只需较低的直流电压（34V），因此，可以采用简单的基于电感或电容的电路供电。相反，CCFL则需要很高的交流电压（有效值为200500V），成本高、体积小，需采用基于变压器的电路。红光和绿光LED的正向压降为1.82,4V（典型值），一些常用电池即可提供足够高的电

27、压，直接驱动这些LED。然而，白光LED的正向压降为34V（典型值），通常需要一个独立电源供电。光强与流过白光LED的电流有关，电流越大光强越高，满亮度输出时电流大约为20mA。数码相机和移动电话一般需要23只白光LED作为背光光源，PDA一般需要36只白光LED作为背光光源。可以通过并联或串联方式驱动白光LED。并联方式的缺点是白光LED的电流及亮度不能自动匹配。串联方向可保持固有的匹配特性，但需要更高的供电电压。    无论是并联方式还是串联方式，大多数手持设备的电池电压都不足以驱动白光LED，所以需要升压式变换器。电荷泵式变换器利用小电容实现电压转换，尺寸最

28、小，成本最低。但是，电荷泵式变换器只能产生输入电压倍数的电压（如1.5×模式、2×模式）。因此，串联白光LED通常需要基于电感的变换器。利用基于电感的变换器，可实现更高的升压比，而且能够在较宽的输入至输出电压范围内保持高效。    在绝大多数应用中，单只白光LED是不够的，需要同时驱动几只白光LED。因此，必须采用具有亮度控制电路的驱动器，以确保它们的强度和色彩一致，即使是在电池放电或其他条件变化时，也能保证各白光LED的发光亮度一致。    图1给出了一组随机挑选的白光LED的电流电压曲线。在这些LED上加载3.

29、3V电压（上端虚线所示）时会产生25mA的正向电流，导致发出不同亮度的白光。该区域中纵坐标变化很剧烈，会导致显示色彩的不真实。同样，白光LED也具有不同的光强，这会产生不均匀的亮度。另外一个问题是所需的最小供电电压，白光LED要求用高于3V的电压驱动，若低于该电压，几只白光LED可能会完全变暗。    图1显示了不同白光LED的电流电压特性之间有相当大的差异，甚至是从同一产品批次中随机挑选的几只白光LED也是如此。因此，用恒定的3.3V电压驱动这样几只并联的白光LED会导致不同亮度的白光（上端虚线所示）。1、  驱动并联白光LED  

30、  锂离子电池在完全充满电时可以提供4.2V的输出电压，但在很短的一段工作时间内就会下降到标称的3.5V。由于电池放电，其输出电压会进一步下降到3.0V。如果白光LED直接由电池驱动，则会产生如下问题。    首先，当电池充满电时，所有的二极管都被点亮，但会具有不同的光强和色彩。当电池电压下降至其标称电压时，光强减弱，并且白光间的差异变得更大。因此，设计中必须考虑电池电压和二极管正向电压的数值，而且需要计算串联电阻的阻值。随着电池彻底放电，部分白光LED将会完全熄灭。图2所示是驱动并联白光LED的三种电路，其采用的驱动并联白光LED的方法是： 

31、    利用现有电源独立调节流过每只白光LED的电流。     只调节电源电压，依靠白光LED的一致性和串联电阻使电流匹配。     调节流过其中一只白光LED的电流，依靠白光LED的一致性和串联电阻使其余的白光LED电流匹配。 （1）       独立调节流过每只白光LED的电流    若有一个足够高的电压来驱动白光LED正向导通，那么，只需设计电流控制电路，即可提供足够的电流驱动满亮

32、度下的所有白光LED。    图3所示电路是利用MAX1916以恒定电流驱动三只白光LED的电路，是白光LED亮度匹配的低成本解决方案。假设电流设置在所要求的白光LED最大亮度电流与最大额定电流之间，为了保持显示器亮度一致，电流匹配必须有较好的匹配度。典型的电流匹配度为0.3%，设定电流精度为±10%。每路输出的压差小于410mV，以保持20mA电流。这样，只需4.2V电压即可驱动3.8V的LED。白光LED的引脚电流设为流入SET引脚电流的230倍。为给SET引脚提供偏置电流，把电阻RSET连接到SET引脚，利用大于1.215V的电压为SET引脚提供偏

33、置电压。MAX1916采用SOT-23封装，提供0.3%的电流匹配度。图4所示电路有多种动态调节白光LED亮度的方法。    方法一：用D/A变换器驱动RSET，如图4（a）所示。白光LED电流是D/A变换器输出电压减去SET引脚偏置电压的函数。D/A变换器可以选用SOT-23封装的低成本集成电路MAX5360MAX5365。    方法二：利用控制器的I/O引脚控制多个电阻，可组成一个简易的亮度调节器，如图4（b）所示。将控制引脚在高态（ON）和低态（OFF）之间切换，以得到所要求的SET引脚电流。   

34、; 方法三：利用逻辑电平PWM信号驱动EN引脚，如图4（c）所示。许多处理器的端口都能提供占空比为0100%的低频PWM信号。MAX1916的EN引脚的响应时间允许PWM运行在高达2kHz左右的频率下。    低成本的MAX1574/MAX1575/MAX1576 电荷泵控制器结合了升压电源和电流调节功能，这些器件具有较高的输出电流、很好的电流匹配度以及较高的工作效率，并可提供自适应模式切换和过压保护，可驱动8只白光LED。    自适应切换电路对输入电压进行检测，并确定效率最高的升压比（例如，1×模式、1.5×模

35、式或2×模式）。利用一串脉冲码，通过Dual ModeTM使能引脚，可以调节亮度（相当于设置电流的百分比）。    图5所示的MAX1574电荷泵驱动电路能够以高达180mA的电流驱动三只白光LED。1MHz的开关频率允许电荷泵使用小尺寸陶瓷电容。图6所示的MAX1576电荷泵电路能够以高达480mA的总电流驱动两组（每组四只白光LED）白光LED。对于闪烁状态的白光LED组，允许每只白光LED的电流达到100mA。每组白光LED具有独立的电流设置、脉冲亮度调节和2线亮度控制功能。利用自适应开关，在单节锂离子电池的整个放电过程中平均效率可以达到83%。对

36、于使白光LED闪光灯的数码照明机，MAX1576是理想选择。    MAX1575是该系列产品的另一款芯片，能够以高达120mA的总输出电流驱动两组白光LED（四只主屏白光LED和两只子屏白光LED）。（2）       采用稳压输出电源驱动电路    采用稳压输出电源驱动电路与独立调节流过每只白光LED的电流方法相似，使用稳压输出电源的方法非常经济，但电流精度不如独立调节流过每只白光LED的电流的方法。由于使用稳压输出电源的方法不能实现稳流，所以流过每只白光LED的绝对电流

37、必须保持在所要求的最大亮度电流与白光LED的最大额定电流之间。电流匹配度必须足够好，以便保持亮度均匀。采用稳压输出电源驱动时，流过白光LED的电流可由稳压电源的输出电压（VOUT）减去白光LED的正向电压（VD）后除以R确定：I=（VOUT-VD）/R                （1）    图7所示为典型手持设备中两只白光LED的I-V特性曲线。在相同电流下，白光LED的电压并不相等。图8所示为白光LED的电压

38、差与电流的函数关系。    针对白光LED正向电压的匹配度对电流匹配度的影响，可利用式（2）计算白光LED电流的比值。I1与I2的比值为I1/I2=R2（VOUT-VD1）/R1（VOUT-VD2             （2）假设R1=R2，式（2）可简化为I1/I2=（VOUT-VD1）/（VOUT-VD2）           &#

39、160;     （3）    当VOUT非常高时，式（3）趋于1。因较高的输出电压VOUT有助于得到较好的电流匹配度，电阻R必须与VOUT-VD成比例增大，以便保持恒定电流。较高的VOUT带来电阻R消耗的功率增大。为此，在电路设计时需要折中选择电路效率和电流匹配度。    例如，以5V电源驱动3.60V的白光LED，R上的电压为1.40V。若换成3.42V的白光LED，由R上的电压增加到接近1.58V，白光LED的电流增加13%。需要注意的是，此时白光LED的电压仅有5%的变化。 &

40、#160;   绝对精度。使用稳压输出电源驱动白光LED时电流的绝对误差可用式（1）计算。对于所选择的白光LED，利用VD与ID的关系曲线（见图8）进行计算。将所期望的工作电流I对应的VD标称电压及所选择的VOUT代入式（1），可以解得电阻值R0得到电阻值R后，利用白光LED数据资料中最差条件下的VD求解式（1）。须考虑温度变化对VD的影响。这样能够得出白光LED电流的范围，电流范围必须小于白光LED的最大额定值。     亮度调节。在稳压输出电源驱动电路中，可通过改变VOUT调节白光LED的电流。在使用同一电源时，并不推荐这种方法。可供选择的是用MOSFET管与开关电阻并联组成简单的亮度调节器，如图9