白光LED串聯(lián)與并聯(lián)驅動方案

白光LED可以采用串聯(lián)，也可采用并聯(lián)連接方式，兩種解決方案各有優(yōu)、缺點。并聯(lián)方式的缺點是LED電流及亮度不能自動匹配。串聯(lián)方式可以保持固有的匹配特性，但需要更高的供電電壓。紅光LED和綠光LED的正向壓降為1.8～2.4V（典型值），一些常用電池即可提供足夠高的電壓，直接驅動這些LED。然而，白光LED的正向壓降為3～4V（典型值），故通常需要一個獨立電源供電。

在串聯(lián)配置中，LED的數(shù)量受驅動器的最高電壓限制。若最高電壓為40V，在串聯(lián)配置中根據(jù)白光LED的正向電壓，這一最高電壓最多能夠驅動10～13個白光LED，驅動電流的范圍是連續(xù)狀態(tài)的10～350mA。這種配置的優(yōu)勢是串聯(lián)白光LED可以用單線傳輸電流。其缺點是：當PCB空間受限時（特別是高功率時），銅導線上的電流密度是個問題，而且如果在串聯(lián)模式中一個白光LED發(fā)生故障，所有白光LED都將被關掉。但是，從設計角度看，如果有屁個白光LED，就要將電池電壓提升到n×UF，所以必須采用升壓結構?？梢岳秒姼性_地監(jiān)控電流斜率，從而限制由菲受控瞬間電流產(chǎn)生的EMI。典型的升壓拓撲結構如圖1所示。
 

圖1 基于電感升壓變換器的LED驅動器

在并聯(lián)配置中，特定陣列中的白光LED數(shù)量受到驅動器封裝水平和連接器引腳數(shù)量的限制。另外，在白光LED并聯(lián)時，必須對每個白光LED進行電流控匍，以確保各白光LED之間的匹配非常適合特定應用場合。實際上，兩個白光LED間電流流不一致的程度超過10％以上時，將影響彩色LCD顯示圖像的質量（白光LED作為LCD的背光源）。在串聯(lián)配置的兩個白光LED中并不存在兩個白光LED電流不一致的問題，因為流過兩個白光LED的電流是相同的。

此外，并聯(lián)配置能夠利用電荷泵技術，用2個陶瓷電容將能量從電池傳輸?shù)桨坠釲ED陣列。除了電荷泵變換器以外，每個白光LED控制器還包含一個電流鏡像，此電流鏡像的性能是白光LED間良好匹配的關鍵。基于電荷泵的LED驅動器框圖如圖2所示，基于電池和專用電流源進行能量轉換和調(diào)節(jié)的電荷泵，在進行電流源優(yōu)化設計后可使白光LED電流不受正向電壓和輸入電源變化的影響。

圖2 基于電荷泵的LED驅動器框圖

另一方面，因為電荷泵是基于電壓變換的，所以電荷泵的輸出電流本身不是自動控制的，需要在芯片設計階段特別慎重，以免在電路工作中出現(xiàn)大量EMI。EMI問題不僅限于電荷泵結構，如果芯片設計不良，或電感的質量不足以防止EMI時，電感式升壓變換器更容易產(chǎn)生EMI問題。尤其是由于成本原因使得電感沒有進行屏蔽時，大量電磁場會因為線圈和磁芯泄漏而輻射到環(huán)境中。在設計初期使用恰當?shù)钠帘坞姼衅鞅戎匦略O計PCB布局和布線來解決EMI問題更有效。

同樣地，采用最好的陶瓷電容比在項目接近完成時檢查設計更加重要，雖然起初看起來設計的電路成本可能高一點。比如，低成本的電容（ESR＝1Ω）會在輸出200mA的LED驅動器電源端UBAT產(chǎn)生500mV的毛刺，這是PCB布局難以彌補的致命問題。

盡管設計一個能夠在任何正向電流和配置情況下驅動白光LED的電路在技術上是可行的，但成本十分昂貴。開發(fā)一種處理特定需要、具有合理的額外特性或技術容限的驅動電路更經(jīng)濟有效，所以市場上出現(xiàn)了各種系列的LED驅動器。另外的一個趨勢是采用微型封裝技術減小應用于LED驅動器的芯片尺寸，新的芯片大小是2mm×2mm，僅0.55mm厚，能進一步地減少占板面積。

日前的技術趨勢是通過改進材料和封裝來改進LED，以減小相同工作電流下的正向壓降，并最終能夠直接用單節(jié)帶電流源的鋰離子電池驅動LED，并控制LED電流。紅色和琥珀色LED已實現(xiàn)了上述目標，雨一些白色LED的最大正向電壓已接近3.2V。下一步將是設計出新的變換器，以使采用這種低UF的LED獲得最高效率。

無論是并聯(lián)方式還是串聯(lián)方式，大多數(shù)便攜式電子設備的電池電壓都不足以驅動LED，所以需要升壓變換器。電荷泵利用電容實現(xiàn)電壓轉換，以提供高于電源電壓或與電源電壓反向的輸出電壓。電荷泵內(nèi)部結構相對復雜，但外部元件可能較少，尺寸小，成本低。電荷泵用電池電壓對電容器進行充電，然后利用電容器“存儲”電能，提供高于電源電壓的輸出電壓。它需要使用數(shù)個開關對電容器進行正確連接。其內(nèi)部復雜度有所提高，但外部元件可能較小。電荷泵是一個電壓源，其數(shù)值取決于電容和開關數(shù)量。因此，在不大幅提高復雜度的情況下，達到較高輸出電壓更為困難。在這種情況下，要對LED進行并聯(lián)而不是串聯(lián)；要確保LED電流的穩(wěn)定，可通過附加電流源或限流電阻對LED電流進行匹配，以確保LED之間的電流差異微乎其微。當精確度處于次要地位時，最好使用限流電阻來減少連接數(shù)量并降低復雜度。電荷泵的主要缺點在于其效率低。開關和電容器的數(shù)量決定了電荷泵的增益，此增益通常為1.5倍壓或2倍壓。理想效率的算法如下

實際上，UOUT不可能等于N×VIN，因為確保內(nèi)部電路正確偏置的最小壓降在于驅動器本身，圖3顯示了電感升壓變換器（此處為NCP5006）與兩倍壓的電荷泵之間的效率差別。
 

圖3 效率與電池電壓的關系曲線

基于電荷泵的白光LED驅動器限制電源電壓通常為5.5V或6Y，由其構成的電路僅需要一種電源電壓。而基于電感升壓變換器的白光LED驅動器，因某些電感升壓變換器與電感器無須連接到同一個電源上，如采用NCP5006、NCP5007構成的電路的電源電壓為5.5V，但是由于功率開關的最高電壓均為22V，則電感器就需要更高的電源電應。

基于電荷泵的白光LED驅動電路的一個重要的參數(shù)是LED驅動器產(chǎn)生的噪聲，因為電容器要進行充、放電，所以電荷泵是大電流毛刺的來源。如欲減少這種影響，則必須設置高質量的輸入濾波電路。由于基于電感式升壓變換器的白光LED驅動器存在有電感，故會引起電磁干擾（EMI）。通常情況下，改變開關頻率可減少干擾，但是頻率值取決于變換器的工作條件。

采用電感式升壓變換器及電荷泵構成的典型LED驅動器的參數(shù)比較如表1所示。
 

表1采用電感式升壓變換器及電荷泵構成的典型LED驅動器的參數(shù)