LED串聯(lián)與并聯(lián)特性分析

在串聯(lián)配置中，LED的數(shù)量受驅(qū)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(qū)動10～13只白光LED，驅(qū)動電流的范圍是連續(xù)狀態(tài)的10～350mA。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED技術(shù)也在不斷發(fā)展，為我們的生活帶來各種便利，為我們提供各種各樣生活信息，造福著我們?nèi)祟悺?/p>

1.LED串聯(lián)配置

這種配置的優(yōu)勢是串聯(lián)的白光LED可以用單線傳輸電流。缺點則是：當PCB空間受限時(特別是高功率時)，銅導(dǎo)線上的電流密度是個問題，而且如果在串聯(lián)模式中一只白光LED發(fā)生故障，所有白光LED都將熄滅。但是，從設(shè)計角度看，如果有n只白光LED，就要將電池電壓提升到n×VF，所以必須采用升壓結(jié)構(gòu)，可以利用電感元件精確地監(jiān)控電流斜率，從而限制了非受控瞬間電流產(chǎn)生的EMI，典型升壓拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.LED并聯(lián)配置

在并聯(lián)配置中，特定陣列中的白光LED數(shù)量受到驅(qū)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，必須對每只白光LED進行電流控制，以確保各白光LED之間的匹配非常適合特定應(yīng)用。實際上，兩只白光LED電流不一致超出10%以上，將影響彩色LCD的顯示圖像的質(zhì)量(白光LED作為LCD的背光源)。此外，并聯(lián)配置能夠利用電荷泵技術(shù)，用2個陶瓷電容將能量從電池傳輸?shù)桨坠釲ED陣列。基于電荷泵的LED驅(qū)動器框圖如圖2所示，基于電池和專用電流源進行能量轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)的電荷泵，在進行電流源優(yōu)化設(shè)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。

3.LED串聯(lián)與并聯(lián)驅(qū)動電路比較

LED驅(qū)動電路拓撲有升壓變換器或電荷泵兩種電路拓撲可供選擇，選擇的重點是考慮兩種解決方案所有具體因素?；陔姾杀玫陌坠釲ED驅(qū)動電路一個重要的參數(shù)是LED驅(qū)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(shè)置高性能的輸入濾波電路?；陔姼惺缴龎鹤儞Q器的白光LED驅(qū)動器，由于存在電感，會引起電磁干擾(EMI)。通常情況下，改變開關(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TPS60230電荷泵驅(qū)動白光LED典型應(yīng)電路如圖3所示，TPS60230由鋰離子電池直接供電，典型輸入電壓范圍為3.0～4.2V，可同時為最多5只白光LED供電，每只白光LED電流為20mA。

采用TPS61062升壓變換器驅(qū)動白光LED典型電路如圖4所示。圖4所示的升壓變換器是IC技術(shù)的最新開發(fā)成果之一，作為全面集成的同步升壓變換器，無需外接肖特基二極管就能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸最小的解決方案，所需的外部組件數(shù)量最少。

(1)電荷泵與升壓變換器效率比較

圖3與圖4所示的驅(qū)動白光LED解決方案，幾乎很難說那一種解決方案就是一個高效的解決方案，這是因為整體效率取決于白光LED正向電壓、鋰離子電池放電特性以及白光LED電流等具體應(yīng)用參數(shù)。對于基于電荷泵的解決方案的典型效率曲線如圖5所示。當變換器工作在1倍壓模式情況下時，增益為1，輸入電壓范圍從4.2V降至3.6V不等，效率水平高于75%。在1倍壓模式中，電荷泵的作用就像LDO一樣，輸入電壓經(jīng)穩(wěn)壓降至白光LED正向電壓，通常為3.1～3.5V。LDO模式的另一優(yōu)點是，開關(guān)器件不工作在開關(guān)狀態(tài)，因此可以避免EMI問題。

但是，根據(jù)LED正向電壓以及驅(qū)動器IC內(nèi)部電壓下降的情況不同，在驅(qū)動器從“LDO模式”轉(zhuǎn)為升壓模式(boostmode)而增益為1.5倍壓時，效率會大幅下降。在升壓模式下，開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，輸出電壓為輸入電壓的1.5倍，這需要進行調(diào)節(jié)，以降至白光LED所需正向電壓的水平，這就降低了效率。因此，驅(qū)動器工作在LDO模式下的時間越長，電荷泵效率就越高。

與電荷泵解決方案不同，升壓變換器TPS61062解決方案的典型效率曲線如圖6所示。在鋰離子電池的整個輸入電壓范圍下效率均達到75%～80%。某些升壓變換器解決方案在使用外部校正二極管的情況下其效率甚至高達85%，若采用TPS61042驅(qū)動白光LED少于5只，那么效率還會提高，因為輸入到輸出電壓轉(zhuǎn)換比較低?？傮w說來，升壓變換器的效率比電荷泵解決方案略高，特別是驅(qū)動4只以上白光LED時更是如此。

(2)電荷泵與升壓變換器占板面積比較

過去，電荷泵解決方案在占板面積方面有明顯的優(yōu)勢，這主要是由于升壓變換器采用較大的電感器和外部肖特基二極管。隨著最新技術(shù)的發(fā)展以及更高的集成度，升壓變換器的解決方案尺寸大小也達到與電荷泵解決方案大致相當?shù)乃?。由于電荷泵?qū)動器所需的引腳數(shù)量較大，因此器件封裝也相應(yīng)較大，需要兩個外部泵電容，在這種情況下，電荷泵解決方案的占板面積大小與升壓變換器相當甚至還要再大些。

如果將升壓變換器的開關(guān)頻率上升至高達1MHz，就能使用小型的電感器和小容量的輸出和輸入電容。如TPS61062器件可由內(nèi)部控制回路控制電感器電流，在正常工作時小于最大交換電流。這就可采用較小的電感器，其最大額定電流剛好達到電感器的最大峰值電流。例如，向4只白光LED供電時，飽和電流為200mA的電感器就足夠了。如果沒有特定的內(nèi)部環(huán)路設(shè)計，電感器飽和電流必須為400mA額定值，這就要求更大的電感器，而導(dǎo)致更大的占板面積。

(3)電荷泵與升壓變換器組件高度比較

當組件高度小于1mm的情況下，基于電感器的升壓變換器將失去優(yōu)勢，因此當需要組件高度必須小于1mm時，電荷泵解決方案是更好的選擇。

(4)電荷泵與升壓變換器EMI比較

在考慮到EMI問題時，應(yīng)分析升壓變換器電感器帶來EMI問題。通常說來，可能的電磁輻射不會是大問題，因為RF敏感區(qū)周圍的電感器是屏蔽的，電感式升壓變換器造成EMI問題的原因有，輸入和輸出電壓濾波不足而產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾;印刷電路板(PCB)布局或布線不合理而產(chǎn)生的電磁干擾。

在鋰離子電池供電的電子設(shè)備中，帶有脈動輸入電流的白光LED驅(qū)動器，其輸入端是直接連接至電池電極端，由于RF部分也由電池供電，因此白光LED驅(qū)動器輸入端的開關(guān)噪聲也存在于電池連接處，同時也存在于RF電路的輸入端，這會導(dǎo)致嚴重的干擾。為了明確哪種白光LED驅(qū)動器解決方案在傳導(dǎo)EMI方面的性能更好，應(yīng)比較升壓變換器與電荷泵解決方案的輸入電壓紋波。

一種評估解決方案的辦法就是用頻譜分析儀檢查輸入端，如果器件以固定的開關(guān)頻率工作，那么頻譜將顯示基波的開關(guān)頻率及其諧波。

為了將RF部分的干擾降至最低，基波頻率及其諧波應(yīng)盡可能高，振幅則應(yīng)保持較低。這是因為變換器的開關(guān)頻率會與發(fā)射機的載頻相混合，使邊帶也有載頻。邊帶出現(xiàn)在發(fā)射機的輸出頻帶中，剛好比發(fā)射機頻率高或低一個開關(guān)頻率。開關(guān)頻率越低，邊帶離載頻就越近，可降低發(fā)射機的信噪比。開關(guān)頻率越高，邊帶離載頻就越遠，并加大發(fā)射機的信噪比。當然，變換器開關(guān)頻率基波的振幅越低，信噪比就越高。正因為如此，固定的變換器開關(guān)頻率等于及高于1MHz時，通常適合大多數(shù)應(yīng)用的要求。

在相同設(shè)置下，電荷泵解決方案的輸入紋波電壓是升壓變換器解決方案的兩倍。這是由于電荷泵工作于1.5倍壓模式下會產(chǎn)生幾乎為方形波的輸入電流。作為輸入濾波器，電荷泵只有輸入電容。而升壓變換器帶有電感及輸入電容，可更好地完成輸入濾波器工作，從而實現(xiàn)較低的輸入電壓紋波。為了進一步降低輸入電壓紋波，在采用升壓變換器以及電荷泵解決方案時最有效的方法就是增加輸入電容的值。對于非常敏感的應(yīng)用，還可考慮增加額外的LC輸入濾波器或采用較小的鐵氧體磁珠。可以清楚地看到，電荷泵解決方案滿足不了所有的應(yīng)用，升壓變換器解決方案也是如此。

選擇解決方案時要根據(jù)具體的最終應(yīng)用要求及關(guān)鍵參數(shù)來考慮。此外，電荷泵解決方案在EMI方面并不優(yōu)于升壓變換器解決方案。雖然LED在生活中處處可見，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計人員擁有更加專業(yè)的知識儲備，這樣才能設(shè)計出更加符合生活所需的產(chǎn)品。