白色LED的恒流驅動技術分析

用白色LED為顯示器或其他照明設備做背光源時，需要對其進行恒流驅動，主要原因是：
1. 避免驅動電流超出最大額定值，影響其可靠性。 2. 獲得預期的亮度要求，并保證各個LED亮度、色度的一致性。

本文描述了典型LED的參數(shù)范圍和恒流驅動電路。 圖1給出了六只隨機挑選的白光LED (其中三只來自兩家頂級產商)的正向電流隨正向電壓的變化關系曲線，這種情況下，如果用3.4V驅動這六只LED，相應的正向電流差別較大：10mA至44mA。

圖1. 六只隨機挑選的白光LED (其中三只來自兩家頂級產商)其正向電流與正向導通電壓的對應關系曲線。注意，對于任一給定電壓，正向電流變化范圍較大—10mA至44mA (3.4V電壓下)。

為保證可靠性，驅動LED的電流必須低于LED額定值的要求，典型最大值一般為30mA，但是，從圖2可以看出：當環(huán)境溫度升高時所允許的額定電流會降低，通常，當溫度達到50°C時電流需限制在20mA以內。通過觀察圖1、圖2不難得出這樣的結論：只是用恒壓方式驅動白色LED的方案可靠性較差。

圖2. 一般情況下，白光LED正向電流的最大絕對值隨環(huán)境溫度的升高而降低(Courtesy Nichia Corporation)。

另外，用恒定電流驅動白色LED還可以獲得亮度和色度的一致性。圖3給出了幾種通用的白色LED驅動電路。

圖3. 對于典型的白光LED，通常在IF = 20mA下測試其電特性測。因此，為了得到預知的和匹配的亮度與色度，建議采用恒流驅動(Courtesy Nichia Corporation)。

圖4給出了四種常用的電源電路，用于驅動LED。圖5是相應的對上述6只LED進行調節(jié)時得到的電流調節(jié)精度。圖5中調節(jié)器的輸出負載線畫在LED的Vf曲線圖上，兩條曲線的交點是各個LED的調節(jié)點。

圖4a所示電路用穩(wěn)壓源配合鎮(zhèn)流電阻控制LED的電流，這種結構的優(yōu)點是選擇電壓源的余地很大，調節(jié)器與LED之間只需要一個連接端點；缺點是效率較低，這主要是鎮(zhèn)流電阻的損耗造成的，另外，它對LED正向電流的控制不是很精確。從圖5a測試曲線可以看出6只不同LED的電流變化范圍是：14.2mA至18.4mA，由廠商A提供的LED平均亮度要比廠商B高一些，工作電流高出2mA。

圖4b所示電路用于調節(jié)LED的總電流，鎮(zhèn)流電阻用于實現(xiàn)各LED之間的匹配。MAX1910采用的就是這種結構，這種電路在驅動同一廠商提供的同一批次的產品時可以獲得較好的效果。在與上述電路提供相同電流的條件下，可以減小鎮(zhèn)流電阻，使功耗降低一半。圖5b給出了六個不同LED驅動電流的變化范圍：15.4mA至19.6mA，由廠商A提供的LED電流變化更小一些，來自廠商A和廠商B的LED平均控制電流相同：17.5mA。這種結構的缺陷是鎮(zhèn)流電阻耗電仍然較大，而且，各LED電流的匹配性不是很好。但這種電路折衷考慮了性能和電路的簡易程度。

圖4c可分別調節(jié)各LED的電流，無需鎮(zhèn)流電阻。電流調節(jié)精度和匹配度取決于每個獨立的電流調節(jié)器。MAX1570采用了這種電流源結構，電流精度為2% 、匹配度達0.3% 。由于電流調節(jié)器允許較低的壓差，可以獲得較高的效率。圖5c表明所有被測試的6只白色LED電流均保持在穩(wěn)定的17.5mA，由于省去了鎮(zhèn)流電阻，可有效節(jié)省線路板面積，但在調節(jié)器與LED之間需要四個連接端。這種電路能夠提供較高的性能指標，是基于電感結構的競爭方案。

圖4d是一種基于電感的升壓電路，將其配置為電流調節(jié)器，轉換效率較高。較低的反饋門限進一步減小了檢流電阻的功率消耗，另外，因為LED按照串聯(lián)方式連接，任何工作條件下都能夠使LED的亮度保持一致。電流精度取決于調節(jié)器反饋門限的精度，不受LED正向導通電壓變化的影響。MAX1848和MAX1561是這種電流調節(jié)電路的兩個典型范例，轉換效率(PLED/PIN)可以達到87% (3只串聯(lián)LED)或84% (6只串聯(lián)LED)。這種電路的另一個優(yōu)點是在調節(jié)器與LED之間只需要兩個連接端點，為用戶的設計提供了一定的靈活性。但是，由于電路中采用了電感，與上述方案相比尺寸較大、成本較高、EMI輻射也較大。

圖4. 白色LED通常有四種不同的驅動電路：(a) 電壓源與鎮(zhèn)流電阻, (b) 電流源與鎮(zhèn)流電阻, (c) 多路電流源, (d) 一路電流源驅動串聯(lián)LED。

圖5. 各個白色LED的正向電壓(Vf)對調節(jié)電流精度的影響不同，取決于調節(jié)電路的結構：(a) 電壓源與鎮(zhèn)流電阻, (b)電流源與鎮(zhèn)流電阻，(c) 多路電流源或一路電流源驅動串聯(lián)LED。6只LED (三只來自廠商A和廠商B)的Vf曲線如圖所示，調節(jié)器的輸出負載曲線與LED Vf曲線的交點即為穩(wěn)定的調節(jié)工作點。