高效LED驅(qū)動(dòng)模式與理想LED照明設(shè)備

在如今社會(huì)，各種媒體設(shè)備照明環(huán)境需求的差異化，進(jìn)一步促進(jìn)了人類探索如何利用各種高亮度LED進(jìn)行照明。LED在照明方面的應(yīng)用已經(jīng)吸引廣泛關(guān)注。

　　LED基本原理及性能特點(diǎn)

　　首先我們來介紹一下LED的基本原理以及性能特點(diǎn)。LED的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)(即兩端加上正向電壓)，電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。
 

　　LED光源具有以下特點(diǎn)：

　　1.電壓：LED正向?qū)üぷ麟妷狠^低，可以使用低壓電源驅(qū)動(dòng)，供電電壓根據(jù)最終產(chǎn)品不同而異，是一個(gè)比較安全的照明設(shè)備，特別適用于公共場所。

　　2.效能：同等照度的情況下消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。

　　3.適用性：每個(gè)單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。

　　4.穩(wěn)定性：通常為10萬小時(shí)，光衰為初始的50%。

　　5.響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)。

　　6.對(duì)環(huán)境污染：無有害金屬汞。

　　7.顏色：LED的發(fā)光顏色和發(fā)光效率與制作LED的材料和工藝有關(guān)，目前有紅、綠、藍(lán)三種基本顏色。

　　8.價(jià)格：與白熾燈相比，LED的價(jià)格較高，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，不過隨著技術(shù)工藝的進(jìn)步，可以逐步提升性價(jià)比。

　　LED驅(qū)動(dòng)方案

　　LED自問世以來，就得到人們的極大關(guān)注，LED驅(qū)動(dòng)器件和驅(qū)動(dòng)方式不斷更新以便更加有效地驅(qū)動(dòng)LED為人類照明。從早期的DC/DC開關(guān)電源到電荷泵，以及追求成本的低邊驅(qū)動(dòng)和LDO,人們?cè)诓煌膽?yīng)用情況下選用不同的驅(qū)動(dòng)線路，作為市場關(guān)注的熱點(diǎn)，便攜產(chǎn)品的顯示背光是LED背光應(yīng)用的主要市場，下文將針對(duì)便攜產(chǎn)品的背光顯示，介紹當(dāng)前幾種常見的LED驅(qū)動(dòng)方案。

　　1. Step-UP DC/DC開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)

　　該方案主要的特點(diǎn)在于：輸入電壓較低，甚至低至0.7V(單節(jié)干電池)，從技術(shù)發(fā)展的角度看，串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的比較早，技術(shù)上也比較成熟，效率較高。典型的應(yīng)用線路如圖1所示。

　　圖1：Step-UP DC/DC 開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)的典型應(yīng)用線路。

　　對(duì)于這種應(yīng)用方式，早期的驅(qū)動(dòng)芯片主要采用電流反饋方式，按照VFB/Rb來確定LED的電流，DC/DC反饋電壓VFB一般在1.2V左右，這限制了有效效率的進(jìn)一步提升，本身DC/DC的效率在80%左右，在這種應(yīng)用情況下，實(shí)際效率降低的更多，而隨著技術(shù)的提高，降低VFB電壓到0.1V以內(nèi)，可以將有效效率提升到85%以上，尤其在驅(qū)動(dòng)2-3顆燈的應(yīng)用狀態(tài)下。該方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

　　優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，成本相對(duì)較低，通過一些新的技術(shù)革新，例如圖1所示的過壓保護(hù)功能，或者采用電壓電流反饋共同作用，可以得到較高的亮度一致性以及較高的安全系數(shù)，尤其以大尺寸屏幕顯示的背光應(yīng)用居多。由于需要較多的LED實(shí)現(xiàn)屏幕背光，因而亮度的一致性和均勻性是必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。

　　缺點(diǎn)：本身電感的應(yīng)用，限制了線路的尺寸以及高度，并且?guī)砉こ淘O(shè)計(jì)人員不愿意面對(duì)的問題-EMI處理，尤其在靠近射頻部分，需要針對(duì)干擾做專門的處理，否則會(huì)導(dǎo)致射頻接收靈敏度降低，甚至帶來音頻部分的干擾，例如音頻輸出電流干擾聲。另外，在這種應(yīng)用情況下，如果一個(gè)LED發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致整串LED失效，這是人們不愿意看到的結(jié)果。

　　2. 電容式電荷泵驅(qū)動(dòng)模式

　　這是一種比較新的驅(qū)動(dòng)方式。簡單來說電容式電荷泵通過開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實(shí)現(xiàn)電壓提升，采用電容器來貯存能量。因工作于較高頻率，可使用小型陶瓷電容器(1μF)，占用空間最小，使用成本較低。電荷泵有兩種工作模式，恒壓模式，恒流模式。

　　1)恒壓模式電荷泵。圣邦微電子的SGM3110就是采用恒壓模式的電荷泵，由于恒壓模式電荷泵的工作特性，本身具有高開關(guān)頻率以及大峰值的瞬態(tài)電流，因而需要工程師在PCB布板部分額外注意，一般要求外圍的電容盡可能靠近器件本身，外圍布線要盡量短，本身需要周圍的PCB地盡可能大，外圍電容也要盡量直接接到SGM3110的地上，如果布線限制，則可以通過大的PCB過孔以及多個(gè)過孔來實(shí)現(xiàn)良好接地。

　　效率計(jì)算方法：η=Iout*Vout/Iin*Vin

　　由于器件本身存在開關(guān)損耗以及電容漏電，因而實(shí)際效率要比該值低一些，這跟生產(chǎn)廠家的工藝技術(shù)有關(guān)。采用這種LED驅(qū)動(dòng)模式的優(yōu)點(diǎn)在于，可以簡化外圍線路、降低產(chǎn)品成本。尤其在小尺寸屏的情況下，1-2個(gè)LED做屏幕背光;或者用做閃光燈驅(qū)動(dòng)，在100mS內(nèi)達(dá)到250mA電流的輸出;或者是簡單的DC/DC 5V升壓簡化版本，替代電感DC/DC升壓，降低成本以及產(chǎn)品EMI問題。缺點(diǎn)在于只有簡單的兩倍升壓模式，效率較低，大多數(shù)時(shí)間效率低于70%，實(shí)際利用效率更低，其中有相當(dāng)一部分消耗在限流電阻上。在驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED的時(shí)候，背光一致性完全依賴于LED以及限流電阻的精度。
2)恒流模式電荷泵。為了進(jìn)一步提升LED驅(qū)動(dòng)的效率，圣邦微電子在2008年第二季度推出帶有1X、1.5X、2X升壓的恒流模式電荷泵SGM3123，對(duì)于恒流模式的電荷泵來講，通過內(nèi)部的邏輯控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)每一路LED實(shí)現(xiàn)均流，使LED的亮度保持相等，與此同時(shí)，盡可能地提高LED的驅(qū)動(dòng)效率。

　　在這種應(yīng)用中，通過電流鏡像控制技術(shù)使LED的亮度一致性得到保持，每一路的LED電流誤差不超過2%，并且1X、1.5X升壓模式使驅(qū)動(dòng)LED的效率得到兼顧，LED在大部分工作時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動(dòng)效率可以保證在80%以上。典型應(yīng)用線路如圖2所示。

　　圖2：恒流模式電荷泵SGM3123的典型應(yīng)用線路。

　　利用不同的阻值來設(shè)置LED輸出電流：ILED=Gain*VIset/RIset。不同廠家Gain系數(shù)不同。人們?cè)趯?duì)電荷泵技術(shù)革新的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)利用它驅(qū)動(dòng)LED相對(duì)于DC/DC的一系列優(yōu)點(diǎn),降低成本，縮小驅(qū)動(dòng)板的尺寸，避免EMI干擾。

　　3. 對(duì)于成本及性能的追求，也存在著一系列其他的驅(qū)動(dòng)方式例如低邊LED驅(qū)動(dòng)。相比較恒流模式的電荷泵，僅缺少電荷泵升壓，對(duì)于電流的恒流處理部分則相同。成本與電流模式電荷泵比相對(duì)較低。缺點(diǎn)在于，純線性處理，當(dāng)電池電壓降到較低，例如3.6V，在突發(fā)大負(fù)載的情況下：手機(jī)接打電話或者拍照，MP3播放音樂，MP4播放影片，會(huì)造成電壓波動(dòng)，電壓會(huì)下降0.1~0.2V，那么在系統(tǒng)電壓會(huì)瞬間降到3.4V甚至更低，不能保證LED的正常亮度，存在屏幕亮度明顯變化的缺陷。

　　圣邦微電子已獲得廣泛應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)品。

　　4. 成本的壓力促使采用更低成本的LDO來做系統(tǒng)背光。用LDO作LED驅(qū)動(dòng)與上述方案比較，除了成本較低，無論是電壓模式電荷泵SGM3110驅(qū)動(dòng)3個(gè)以上LED會(huì)存在亮度不均勻的缺點(diǎn)，還有低邊驅(qū)動(dòng)電壓不穩(wěn)導(dǎo)致亮度變化的缺點(diǎn)都存在。