如何改善白光LED？線性穩(wěn)壓器(LDO)可以嗎？

自從前些年白光LED誕生以來(lái)，白光 LED 的應(yīng)用得到了穩(wěn)步發(fā)展。與熒光燈相比具有使用簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)，與白熾燈相比可以提供更接近于白色的光，因此，其用量在最近幾年呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的趨勢(shì)，在手持式產(chǎn)品中被廣泛用作閃光燈、顯示器背光等。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)白光 LED 也存在一些有待解決的技術(shù)問(wèn)題。

光發(fā)光二極管(LED)在各種照明設(shè)備中的應(yīng)用正在穩(wěn)步增長(zhǎng)，如手持產(chǎn)品中的閃光燈、顯示器背光等。與白熾燈相比，它們提供真正的白光、消耗更低的功耗。與熒光燈相比，它們更易于使用。批量使用時(shí)，白光 LED 的一致性較差，利用低成本的線性穩(wěn)壓器(LDO)可以改善其匹配度，即使在采用不同 LED 的情況下。

選用白光 LED 最明顯的問(wèn)題是產(chǎn)品的匹配性差，按照白光 LED 的典型規(guī)格，電流為 20mA 時(shí)正向電壓的最小值為 3.0V、典型值為 3.5V、最大值為 4.0V。顯然，穩(wěn)壓源不是合理的解決方案。利用相同的電流驅(qū)動(dòng)每只 LED 可以獲得均勻亮度，但成本很高。在許多應(yīng)用中只是簡(jiǎn)單地用一個(gè)固定偏置電壓和鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng) LED，如圖 1。

圖 1. 大多數(shù)應(yīng)用只是簡(jiǎn)單地利用固定偏置電壓(本范例中采用 5V)和鎮(zhèn)流電阻(本范例中采用 75Ω)，獲得近似匹配的白光 LED 亮度。

按照?qǐng)D 1 設(shè)計(jì)電路通?？梢缘玫较喈?dāng)好的亮度匹配。但對(duì)于大批量生產(chǎn)的用戶，同一批次的產(chǎn)品具有相當(dāng)一致的特征指標(biāo)，但批次之間一致性較差。這就需要對(duì)每一批新的 LED 進(jìn)行測(cè)試、為其配置鎮(zhèn)流電阻。如果存在多個(gè) LED 供貨商問(wèn)題將更加嚴(yán)重。為詳細(xì)描述上述問(wèn)題，我們選用了三個(gè)廠商的 LED (分別用 A、B、C 表示)按照?qǐng)D 1 所示電路作了以下測(cè)試：標(biāo)號(hào)為 A 的 LED 選自一級(jí)白光 LED 供貨商，標(biāo)號(hào)為 B 的 LED 選自二級(jí)白光 LED 供貨商，標(biāo)號(hào)為 C 的 LED 是從電子配套市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的廉價(jià) LED。測(cè)試結(jié)果如表 1。

表 1. 為了評(píng)估圖 1 電路的生產(chǎn)能力，我們對(duì)三種不同廠商提供的白光 LED 進(jìn)行了測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果看，不同商標(biāo)的 LED 一致性較差，比標(biāo)準(zhǔn)平均電流偏差 3.27mA。

從表 1 可以看出，同一廠商的 LED 匹配性較好，特別是來(lái)自規(guī)模較大的供貨廠家的產(chǎn)品(A、B 兩種 LED)。正如所預(yù)期的那樣，來(lái)自供應(yīng)商 C 的不同包裝的 LED 一致性較差。三家廠商 LED 電流的平均均方誤差為 0.54mA。

從表 1 的“平均值”列可以看出，不同廠商提供的 LED 一致性較差，A 廠商提供的 LED 吸取電流最大(平均 24.6mA)，B 廠商提供的 LED 吸取電流最小(平均 18.3mA)。不同廠商的白光 LED 在采用相同偏置電壓、相同的鎮(zhèn)流電阻時(shí)電流差別較大，均方誤差為 3.27mA。

單獨(dú)調(diào)節(jié)每只 LED 的電流或至少對(duì)其中一只 LED 的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)可以提高不同廠商或同一廠商不同批次 LED 的一致性，但這需要相當(dāng)昂貴的芯片。在對(duì)成本要求苛刻的產(chǎn)品中，可以利用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)改善 LED 的一致性，無(wú)需選擇阻值不同的鎮(zhèn)流電阻，具體電路如圖 2 所示。圖中 LDO 工作在穩(wěn)壓 - 穩(wěn)流模式下，根據(jù)一只 LED 的正向電壓的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)偏置電壓。

圖 2. 添加一片低成本的 LDO，得到可自動(dòng)調(diào)節(jié)的偏置電壓，有效改善不同批次、不同廠商白光 LED 的匹配度。

為考核圖 2 電路性能，我們將上述 A、B、C 三種 LED 按照?qǐng)D 2 電路連接進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表 2。從表 2 可以計(jì)算出：相同廠商 LED 電流的一致性略有下降(圖 2 所得結(jié)果為 0.77mA，圖 1 所得結(jié)果為 0.54mA)，但不同廠商的 LED 電流的一致性得到了較大改善，均方誤差由 3.27mA 降低至 0.96mA。

表 2. 為了評(píng)估圖 2 電路的性能，我們對(duì)相同的三組白光 LED 進(jìn)行了測(cè)試，從表 2 可以看出，不同廠商提供 LED 一致性得到了改善，由表 1 所示偏離標(biāo)準(zhǔn)值 3.27mA 降至 0.96mA。

圖 2 電路需選擇帶有外部電壓調(diào)節(jié)引腳的 LDO，如 MAX8863，其反饋門(mén)限為 1.25V (VSET)。選用 SOT23 封裝的 LDO 可提高系統(tǒng)的性價(jià)比，因?yàn)槎鄶?shù) SOT23 封裝的 LDO 帶有關(guān)斷控制，從而省去了圖 1 電路中控制 LED 通 / 斷或 PWM 亮度調(diào)節(jié)的 N 溝道 MOSFET。另外，LDO 還具有較寬的輸入電壓范圍，當(dāng)與其它電路共用同一 5V 電源時(shí)可以提供較高的電源抑制比(PSRR)此外，由廠商 A 提供的 LED 不會(huì)運(yùn)行在“熱”狀態(tài)下，無(wú)需過(guò)多考慮散熱問(wèn)題。

圖 3 電路是對(duì)圖 2 電路的修正，每只 LED 的電流為 15mA，適合便攜產(chǎn)品的背光源要求。MAX8863 可以驅(qū)動(dòng) 8 只 LED，每只 LED 電流為 15mA。當(dāng) LED 正向電壓較低、或鎮(zhèn)流電阻的電流低于 15mA 時(shí)，所允許的輸入電壓更低。

圖 3. MAX8863 LDO 可驅(qū)動(dòng) 8 只 LED，每只 LED 電流為 15mA。對(duì)不同廠商、不同批次的 LED 可提供較好的亮度匹配。