LED驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)知識

下圖為正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關(guān)系曲線，由曲線可知，當(dāng)正向電壓超過某個(gè)閾值(約2V)，即通常所說的導(dǎo)通電壓之后，可近似認(rèn)為，IF與VF成正比。見表是當(dāng)前主要超高亮LED的電氣特性。由表可知，當(dāng)前超高亮LED的最高IF可達(dá)1A，而VF通常為2～4V。

由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，光通量(φV)與IF的關(guān)系曲線，因此，采用恒流源驅(qū)動(dòng)可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達(dá)1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的，IF變化，從而引起亮度的較大變化。所以，采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)。

下圖是LED的溫度與光通量(φV)關(guān)系曲線，由下圖可知光通量與溫度成反比，85℃時(shí)的光通量是25℃時(shí)的一半，而一40℃時(shí)光輸出是25℃時(shí)的1.8倍。溫度的變化對LFD的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。見LED的溫度與光通量關(guān)系曲線。

一般LED驅(qū)動(dòng)電路介紹

由于受到LED功率水平的限制，通常需同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED以滿足亮度需求，因此，需要專門的驅(qū)動(dòng)電路來點(diǎn)亮LED。下面簡要介紹LED概念型驅(qū)動(dòng)電路。

阻限流電路

電阻限流驅(qū)動(dòng)電路是最簡單的驅(qū)動(dòng)電路，限流電阻按下式計(jì)算。

式中：Vin為電路的輸入電壓：

VF為IED的正向電流;

VF為LED在正向電流為，IF時(shí)的壓降;

VD為防反二極管的壓降(可選);

y為每串LED的數(shù)目;

x為并聯(lián)LED的串?dāng)?shù)。

由上圖可得LED的線性化數(shù)學(xué)模型為

式中：Vo為單個(gè)LED的開通壓降;

Rs為單個(gè)LED的線性化等效串聯(lián)電阻。

則上式限流電阻的計(jì)算可寫為當(dāng)電阻選定后，電阻限流電路的IF與VF的關(guān)系為，由上式可知電阻限流電路簡單，但是，在輸入電壓波動(dòng)時(shí)，通過LED的電流也會跟隨變化，因此調(diào)節(jié)性能差。另外，由于電阻R的接人損失的功率為xRIF，因此效率低。

線性調(diào)節(jié)器介紹

線性調(diào)節(jié)器的核心是利用工作于線性區(qū)的功率三極管或MOSFFET作為一動(dòng)態(tài)可調(diào)電阻來控制負(fù)載。線性調(diào)節(jié)器有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。

下圖a所示為并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器又稱為分流調(diào)節(jié)器(圖中僅畫出了一個(gè)LED，實(shí)際上負(fù)載可以是多個(gè)LED串聯(lián)，下同)，它與LED并聯(lián)，當(dāng)輸入電壓增大或者LED減少時(shí)，通過分流調(diào)節(jié)器的電流將會增大，這將會增大限流電阻上的壓降，以使通過LED的電流保持恒定。

由于分流調(diào)節(jié)器需要串聯(lián)一個(gè)電阻，所以效率不高，并且在輸入電壓變化范圍比較寬的情況下很難做到恒定的調(diào)節(jié)。

下圖b所示為串聯(lián)型調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)電阻增大，以保持LED上的電壓(電流)恒定。

由于功率三極管或MOSFET管都有一個(gè)飽和導(dǎo)通電壓，因此，輸入的最小電壓必須大于該飽和電壓與負(fù)載電壓之和，電路才能正確地工作。

開關(guān)調(diào)節(jié)器介紹

上述驅(qū)動(dòng)技術(shù)不但受輸入電壓范圍的限制，而且效率低。在用于低功率的普通LED驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于電流只有幾個(gè)mA，因此損耗不明顯，當(dāng)用作電流有幾百mA甚至更高的高亮LED的驅(qū)動(dòng)時(shí)，功率電路的損耗就成了比較嚴(yán)重的問題。開關(guān)電源是目前能量變換中效率最高的，可以達(dá)到90%以上。Buek、Boost和Buck-Boost等功率變換器都可以用于LED的驅(qū)動(dòng)，只是為

了滿足LED的恒流驅(qū)動(dòng)，采用檢測輸出電流而不是檢測輸出電壓進(jìn)行反饋控制。下圖(a)為采用Buck變換器的LED驅(qū)動(dòng)電路，與傳統(tǒng)的Buek變換器不同，開關(guān)管S移到電感L的后面，使得S源極接地，從而方便了S的驅(qū)動(dòng)，LED與L串聯(lián)，而續(xù)流二極管D與該串聯(lián)電路反并聯(lián)，該驅(qū)動(dòng)電路不但簡單而且不需要輸出濾波電容，降低了成本。但是，Buck變換器是降壓變換器，不適用于輸入電壓低或者多個(gè)LED串聯(lián)的場合。

上圖(b)為采用Boost變換器的LED驅(qū)動(dòng)電路，通過電感儲能將輸出電壓泵至比輸入電壓更高的期望值，實(shí)現(xiàn)在低輸入電壓下對LED的驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是這樣的驅(qū)動(dòng)IC輸出可以并聯(lián)使用，有效的提高單顆LED功率。

上圖(c)為采用Buck—Boost變換器的LED驅(qū)動(dòng)電路。與Buek電路相似，該電路S的源極可以直接接地，從而方便了S的驅(qū)動(dòng)。Boost和Buck-Boosl變換器雖然比Buck變換器多一個(gè)電容，但是，它們都可以提升輸出電壓的絕對值，因此，在輸入電壓低，并且需要驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED時(shí)應(yīng)用較多。

PWM調(diào)光知識介紹

在手機(jī)及其他消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，白光LED越來越多地被使用作為顯示屏的背光源。近來，許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)者希望白光LED的光亮度在不同的應(yīng)用場合能夠作相應(yīng)的變化。這就意味著，白光LED的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)能夠支持LED光亮度的調(diào)節(jié)功能。目前調(diào)光技術(shù)主要有三種：PWM調(diào)光、模擬調(diào)光、以及數(shù)字調(diào)光。市場上很多驅(qū)動(dòng)器都能夠支持其中的一種或多種調(diào)光技術(shù)。本文

將介紹這三種調(diào)光技術(shù)的各自特點(diǎn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)者可以根據(jù)具體的要求選擇相應(yīng)的技術(shù)。

PWMDimming(脈寬調(diào)制)調(diào)光方式——這是一種利用簡單的數(shù)字脈沖，反復(fù)開關(guān)白光LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光技術(shù)。應(yīng)用者的系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的數(shù)字式脈沖，即可簡單地實(shí)現(xiàn)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度。PWM調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供高質(zhì)量的白光，以及應(yīng)用簡單，效率高!例如在手機(jī)的系統(tǒng)中，利用一個(gè)專用PWM接口可以簡單的產(chǎn)生任意占空比的脈沖信號，該信號通過一個(gè)電阻，連接到驅(qū)動(dòng)器的EN接口。多數(shù)廠商的驅(qū)動(dòng)器都支持PWM調(diào)光。

但是，PWM調(diào)光有其劣勢。主要反映在：PWM調(diào)光很容易使得白光LED的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲(audiblenoise，或者microphonicnoise)。這個(gè)噪聲是如何產(chǎn)生?通常白光LED驅(qū)動(dòng)器都屬于開關(guān)電源器件(buck、boost、chargepump等)，其開關(guān)頻率都在1MHz左右，因此在驅(qū)動(dòng)器的典型應(yīng)用中是不會產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。但是當(dāng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行PWM

調(diào)光的時(shí)候，如果PWM信號的頻率正好落在200Hz到20kHz之間，白光LED驅(qū)動(dòng)器周圍的電感和輸出電容就會產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。所以設(shè)計(jì)時(shí)要避免使用20kHz以下低頻段。

我們都知道，一個(gè)低頻的開關(guān)信號作用于普通的繞線電感(wirewindingcoil)，會使得電感中的線圈之間互相產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，該機(jī)械振動(dòng)的頻率正好落在上述頻率，電感發(fā)出的噪音就能夠被人耳聽見。電感產(chǎn)生了一部分噪聲，另一部分來自輸出電容?，F(xiàn)在越來越多的手機(jī)設(shè)計(jì)者采用陶瓷電容作為驅(qū)動(dòng)器的輸出電容。陶瓷電容具有壓電特性，這就意味著：當(dāng)一個(gè)低頻電壓紋波信號作用于輸出電容，電容就會發(fā)出吱吱的蜂鳴聲。當(dāng)PWM信號為低時(shí)，白光LED驅(qū)動(dòng)器停止工作，輸出電容通過白光LED和下端的電阻進(jìn)行放電。因此在PWM調(diào)光時(shí)，輸出電容不可避免的產(chǎn)生很大的紋波?？傊?，為了避免PWM調(diào)光時(shí)可聽得見的噪聲，白光LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該能夠提供超出人耳可聽見范圍的調(diào)光頻率!

相對于PWM調(diào)光，如果能夠改變RS的電阻值，同樣能夠改變流過白光LED的電流，從而變化LED的光亮度。我們稱這種技術(shù)為模擬調(diào)光。

模擬調(diào)光最大的優(yōu)勢是它避免了由于調(diào)光時(shí)所產(chǎn)生的噪聲。在采用模擬調(diào)光的技術(shù)時(shí)，LED的正向?qū)▔航禃S著LED電流的減小而降低，使得白光LED的能耗也有所降低。但是區(qū)別于PWM調(diào)光技術(shù)，在模擬調(diào)光時(shí)白光LED驅(qū)動(dòng)器始終處于工作模式，并且驅(qū)動(dòng)器的電能轉(zhuǎn)換效率隨著輸出電流減小而急速下降。所以，采用模擬調(diào)光技術(shù)往往會增大整個(gè)系統(tǒng)的能耗。

模擬調(diào)光技術(shù)還有個(gè)缺點(diǎn)在于發(fā)光質(zhì)量。由于它直接改變白光LED的電流，使得白光LED的白光質(zhì)量也發(fā)生了變化!除了PWM調(diào)光，模擬調(diào)光，目前有些產(chǎn)商的驅(qū)動(dòng)器支持?jǐn)?shù)字調(diào)光。具備數(shù)字調(diào)光技術(shù)的白光LED驅(qū)動(dòng)器會有相應(yīng)的數(shù)字接口。該數(shù)字接口可以是SMB、I2C、或者是單線式數(shù)字接口。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只要根據(jù)具體的通信協(xié)議，給驅(qū)動(dòng)器一串?dāng)?shù)字信號，就可以使得白光LED的光亮發(fā)生變化。

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