白光LED串聯(lián)與并聯(lián)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。并聯(lián)方式的缺點(diǎn)是LED電流及亮度不能自動(dòng)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(qū)動(dòng)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(gè)獨(dú)立電源供電。

在串聯(lián)配置中，LED的數(shù)量受驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)10～13個(gè)白光LED，驅(qū)動(dòng)電流的范圍是連續(xù)狀態(tài)的10～350mA。這種配置的優(yōu)勢(shì)是串聯(lián)白光LED可以用單線傳輸電流。其缺點(diǎn)是：當(dāng)PCB空間受限時(shí)（特別是高功率時(shí)），銅導(dǎo)線上的電流密度是個(gè)問(wèn)題，而且如果在串聯(lián)模式中一個(gè)白光LED發(fā)生故障，所有白光LED都將被關(guān)掉。但是，從設(shè)計(jì)角度看，如果有屁個(gè)白光LED，就要將電池電壓提升到n×UF，所以必須采用升壓結(jié)構(gòu)?？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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
 

圖1 基于電感升壓變換器的LED驅(qū)動(dòng)器

在并聯(lián)配置中，特定陣列中的白光LED數(shù)量受到驅(qū)動(dòng)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(shí)，必須對(duì)每個(gè)白光LED進(jìn)行電流控匍，以確保各白光LED之間的匹配非常適合特定應(yīng)用場(chǎng)合。實(shí)際上，兩個(gè)白光LED間電流流不一致的程度超過(guò)10％以上時(shí)，將影響彩色LCD顯示圖像的質(zhì)量（白光LED作為L(zhǎng)CD的背光源）。在串聯(lián)配置的兩個(gè)白光LED中并不存在兩個(gè)白光LED電流不一致的問(wèn)題，因?yàn)榱鬟^(guò)兩個(gè)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(shù)，用2個(gè)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(gè)白光LED控制器還包含一個(gè)電流鏡像，此電流鏡像的性能是白光LED間良好匹配的關(guān)鍵?；陔姾杀玫腖ED驅(qū)動(dòng)器框圖如圖2所示，基于電池和專用電流源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)的電荷泵，在進(jìn)行電流源優(yōu)化設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器框圖

另一方面，因?yàn)殡姾杀檬腔陔妷鹤儞Q的，所以電荷泵的輸出電流本身不是自動(dòng)控制的，需要在芯片設(shè)計(jì)階段特別慎重，以免在電路工作中出現(xiàn)大量EMI。EMI問(wèn)題不僅限于電荷泵結(jié)構(gòu)，如果芯片設(shè)計(jì)不良，或電感的質(zhì)量不足以防止EMI時(shí)，電感式升壓變換器更容易產(chǎn)生EMI問(wèn)題。尤其是由于成本原因使得電感沒(méi)有進(jìn)行屏蔽時(shí)，大量電磁場(chǎng)會(huì)因?yàn)榫€圈和磁芯泄漏而輻射到環(huán)境中。在設(shè)計(jì)初期使用恰當(dāng)?shù)钠帘坞姼衅鞅戎匦略O(shè)計(jì)PCB布局和布線來(lái)解決EMI問(wèn)題更有效。

同樣地，采用最好的陶瓷電容比在項(xiàng)目接近完成時(shí)檢查設(shè)計(jì)更加重要，雖然起初看起來(lái)設(shè)計(jì)的電路成本可能高一點(diǎn)。比如，低成本的電容（ESR＝1Ω）會(huì)在輸出200mA的LED驅(qū)動(dòng)器電源端UBAT產(chǎn)生500mV的毛刺，這是PCB布局難以彌補(bǔ)的致命問(wèn)題。

盡管設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在任何正向電流和配置情況下驅(qū)動(dòng)白光LED的電路在技術(shù)上是可行的，但成本十分昂貴。開(kāi)發(fā)一種處理特定需要、具有合理的額外特性或技術(shù)容限的驅(qū)動(dòng)電路更經(jīng)濟(jì)有效，所以市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種系列的LED驅(qū)動(dòng)器。另外的一個(gè)趨勢(shì)是采用微型封裝技術(shù)減小應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)器的芯片尺寸，新的芯片大小是2mm×2mm，僅0.55mm厚，能進(jìn)一步地減少占板面積。

日前的技術(shù)趨勢(shì)是通過(guò)改進(jìn)材料和封裝來(lái)改進(jìn)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(qū)動(dòng)LED，并控制LED電流。紅色和琥珀色LED已實(shí)現(xiàn)了上述目標(biāo)，雨一些白色LED的最大正向電壓已接近3.2V。下一步將是設(shè)計(jì)出新的變換器，以使采用這種低UF的LED獲得最高效率。

無(wú)論是并聯(lián)方式還是串聯(lián)方式，大多數(shù)便攜式電子設(shè)備的電池電壓都不足以驅(qū)動(dòng)LED，所以需要升壓變換器。電荷泵利用電容實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)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(duì)電容器進(jìn)行充電，然后利用電容器“存儲(chǔ)”電能，提供高于電源電壓的輸出電壓。它需要使用數(shù)個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)電容器進(jìn)行正確連接。其內(nèi)部復(fù)雜度有所提高，但外部元件可能較小。電荷泵是一個(gè)電壓源，其數(shù)值取決于電容和開(kāi)關(guān)數(shù)量。因此，在不大幅提高復(fù)雜度的情況下，達(dá)到較高輸出電壓更為困難。在這種情況下，要對(duì)LED進(jìn)行并聯(lián)而不是串聯(lián)；要確保LED電流的穩(wěn)定，可通過(guò)附加電流源或限流電阻對(duì)LED電流進(jìn)行匹配，以確保LED之間的電流差異微乎其微。當(dāng)精確度處于次要地位時(shí)，最好使用限流電阻來(lái)減少連接數(shù)量并降低復(fù)雜度。電荷泵的主要缺點(diǎn)在于其效率低。開(kāi)關(guān)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(shí)際上，UOUT不可能等于N×VIN，因?yàn)榇_保內(nèi)部電路正確偏置的最小壓降在于驅(qū)動(dòng)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(guān)系曲線

基于電荷泵的白光LED驅(qū)動(dòng)器限制電源電壓通常為5.5V或6Y，由其構(gòu)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(qū)動(dòng)器，因某些電感升壓變換器與電感器無(wú)須連接到同一個(gè)電源上，如采用NCP5006、NCP5007構(gòu)成的電路的電源電壓為5.5V，但是由于功率開(kāi)關(guān)的最高電壓均為22V，則電感器就需要更高的電源電應(yīng)。

基于電荷泵的白光LED驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)重要的參數(shù)是LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的噪聲，因?yàn)殡娙萜饕M(jìn)行充、放電，所以電荷泵是大電流毛刺的來(lái)源。如欲減少這種影響，則必須設(shè)置高質(zhì)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(qū)動(dòng)器存在有電感，故會(huì)引起電磁干擾（EMI）。通常情況下，改變開(kāi)關(guān)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(gòu)成的典型LED驅(qū)動(dòng)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(gòu)成的典型LED驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)