基于高效LED驅(qū)動模式的理想LED照明設備實現(xiàn)

在如今社會，各種媒體設備照明環(huán)境需求的差異化，進一步促進了人類探索如何利用各種高亮度LED進行照明。LED在照明方面的應用已經(jīng)吸引廣泛關注。

　　LED基本原理及性能特點

　　首先我們來介紹一下LED的基本原理以及性能特點。LED的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(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型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會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結加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。當它處于正向工作狀態(tài)時(即兩端加上正向電壓)，電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。
 

　　LED光源具有以下特點：

　　1.電壓：LED正向?qū)üぷ麟妷狠^低，可以使用低壓電源驅(qū)動，供電電壓根據(jù)最終產(chǎn)品不同而異，是一個比較安全的照明設備，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，光衰為初始的50%。

　　5.響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級。

　　6.對環(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，目前有紅、綠、藍三種基本顏色。

　　8.價格：與白熾燈相比，LED的價格較高，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，不過隨著技術工藝的進步，可以逐步提升性價比。

　　LED驅(qū)動方案

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

　　1. Step-UP DC/DC開關電源實現(xiàn)LED驅(qū)動

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

　　圖1：Step-UP DC/DC 開關電源實現(xiàn)LED驅(qū)動的典型應用線路。

　　對于這種應用方式，早期的驅(qū)動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一步提升，本身DC/DC的效率在80%左右，在這種應用情況下，實際效率降低的更多，而隨著技術的提高，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2-3顆燈的應用狀態(tài)下。該方案的優(yōu)缺點如下：

　　優(yōu)點：技術成熟，成本相對較低，通過一些新的技術革新，例如圖1所示的過壓保護功能，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用居多。由于需要較多的LED實現(xiàn)屏幕背光，因而亮度的一致性和均勻性是必須面對的挑戰(zhàn)。

　　缺點：本身電感的應用，限制了線路的尺寸以及高度，并且?guī)砉こ淘O計人員不愿意面對的問題-EMI處理，尤其在靠近射頻部分，需要針對干擾做專門的處理，否則會導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，在這種應用情況下，如果一個LED發(fā)生故障就會導致整串LED失效，這是人們不愿意看到的結果。

　　2. 電容式電荷泵驅(qū)動模式

　　這是一種比較新的驅(qū)動方式。簡單來說電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現(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過孔以及多個過孔來實現(xiàn)良好接地。

　　效率計算方法：η=Iout*Vout/Iin*Vin

　　由于器件本身存在開關損耗以及電容漏電，因而實際效率要比該值低一些，這跟生產(chǎn)廠家的工藝技術有關。采用這種LED驅(qū)動模式的優(yōu)點在于，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LED做屏幕背光;或者用做閃光燈驅(qū)動，在100mS內(nèi)達到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。缺點在于只有簡單的兩倍升壓模式，效率較低，大多數(shù)時間效率低于70%，實際利用效率更低，其中有相當一部分消耗在限流電阻上。在驅(qū)動多個LED的時候，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。為了進一步提升LED驅(qū)動的效率，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，對于恒流模式的電荷泵來講，通過內(nèi)部的邏輯控制來實現(xiàn)對每一路LED實現(xiàn)均流，使LED的亮度保持相等，與此同時，盡可能地提高LED的驅(qū)動效率。

　　在這種應用中，通過電流鏡像控制技術使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LED的效率得到兼顧，LED在大部分工作時間內(nèi)，驅(qū)動效率可以保證在80%以上。典型應用線路如圖2所示。

　　圖2：恒流模式電荷泵SGM3123的典型應用線路。

　　利用不同的阻值來設置LED輸出電流：ILED=Gain*VIset/RIset。不同廠家Gain系數(shù)不同。人們在對電荷泵技術革新的同時，也發(fā)現(xiàn)利用它驅(qū)動LED相對于DC/DC的一系列優(yōu)點,降低成本，縮小驅(qū)動板的尺寸，避免EMI干擾。

　　3. 對于成本及性能的追求，也存在著一系列其他的驅(qū)動方式例如低邊LED驅(qū)動。相比較恒流模式的電荷泵，僅缺少電荷泵升壓，對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較低。缺點在于，純線性處理，當電池電壓降到較低，例如3.6V，在突發(fā)大負載的情況下：手機接打電話或者拍照，MP3播放音樂，MP4播放影片，會造成電壓波動，電壓會下降0.1~0.2V，那么在系統(tǒng)電壓會瞬間降到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用的LED驅(qū)動芯片產(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3個以上LED會存在亮度不均勻的缺點，還有低邊驅(qū)動電壓不穩(wěn)導致亮度變化的缺點都存在。