高效LED驅(qū)動模式與理想LED照明設備

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(jié)構(gòu)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(jié)。在某些半導體材料的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(jié)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(jié)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。