利用LDO改善白光LED的匹配度問題分析

白光發(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，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。

自從幾年前發(fā)明了白光LED以來，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)問題。

選用白光LED最明顯的問題是產(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75歐姆)，獲得近似匹配的白光LED亮度。

按照?qǐng)D1設(shè)計(jì)電路通常可以得到相當(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供貨商問題將更加嚴(yán)重。為詳細(xì)描述上述問題，我們選用了三個(gè)廠商的LED (分別用A、B、C表示)按照?qǐng)D1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)購買的廉價(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)D2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，無需過多考慮散熱問題。

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。