白光LED在便攜式設(shè)備LCD背光中很受歡迎，因?yàn)樗鼈儽菴CFL背光更簡(jiǎn)單，更便宜，更小。PDA、手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等便攜式設(shè)備需要背光，因?yàn)樗鼈冋谵D(zhuǎn)換為彩色LCD顯示器。本文討論用于串聯(lián)或并聯(lián)配置的白光LED供電的電荷泵和電感升壓轉(zhuǎn)換器解決方案。使用穩(wěn)壓或穩(wěn)壓電流控制器。討論了尺寸、效率、電池壽命和 LED 匹配方面的權(quán)衡。

隨著彩色LCD顯示器在手機(jī)、PDA和數(shù)碼相機(jī)中的日益普及，白光LED正在成為流行的照明光源。雖然單色顯示器可以使用彩色光源，例如電致發(fā)光背光或彩色LED，但彩色顯示器需要白色光源才能正確顯示顏色。

提供白光源有兩種主要方法：白光LED和CCFL（冷陰極熒光燈）。CCFL已在筆記本電腦中使用多年。然而，由于其尺寸、復(fù)雜性和成本優(yōu)勢(shì)，白光LED正在成為小型手持設(shè)備的首選光源。

白光LED需要低直流電壓（3V至4V之間），這意味著可以使用簡(jiǎn)單的電感器或基于電容器的電路供電。相比之下，CCFL需要高交流電壓（200V有效值至 500V有效值）和昂貴、笨重、基于變壓器的電源電路（圖 1）。

圖1.CCFL電路需要變壓器向熒光燈管提供高電壓。

紅色和綠色LED的正向壓降通常為1.8V至2.4V，并且足夠低，可以直接由典型的電池電源驅(qū)動(dòng)。然而，白光LED通常具有3V至4V的正向壓降，并且更有可能需要單獨(dú)的電源。

驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管

發(fā)光強(qiáng)度隨著通過(guò)LED的電流而增加。全光輸出發(fā)生在20mA左右。數(shù)碼相機(jī)和手機(jī)通常使用兩到三個(gè)LED，而PDA使用三到六個(gè)LED。

LED并聯(lián)或串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。并聯(lián)方法的一個(gè)缺點(diǎn)是LED電流和亮度不能自動(dòng)匹配。串聯(lián)方法具有固有匹配特性，但需要更高的電源電壓。

圖2.方法A（并聯(lián)LED）使用最低的電源電壓，但方法B（串聯(lián)的LED）提供最佳匹配。

由于大多數(shù)手持設(shè)備的電池電壓對(duì)于這兩種方法來(lái)說(shuō)都太低，因此需要一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器。電荷泵轉(zhuǎn)換器提供最小、成本最低的解決方案，因?yàn)樗鼈儍H依靠小型電容器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。然而，電荷泵轉(zhuǎn)換器僅在產(chǎn)生其輸入電壓的離散倍數(shù)（例如，1.5倍、2倍）時(shí)才有效。因此，基于電感的轉(zhuǎn)換器通常用于LED串聯(lián)方法。使用基于電感的轉(zhuǎn)換器，可以輕松實(shí)現(xiàn)更高的升壓比，并在很寬的輸入至輸出電壓范圍內(nèi)保持高效率。

驅(qū)動(dòng)并行發(fā)光二極管

圖3顯示了驅(qū)動(dòng)LED并聯(lián)連接的三種主要方法。

使用現(xiàn)有電源獨(dú)立調(diào)節(jié)通過(guò)每個(gè) LED 的電流。

僅調(diào)節(jié)電源電壓，并依靠 LED 匹配和串聯(lián)電阻進(jìn)行電流匹配。

調(diào)節(jié)通過(guò)一個(gè) LED 的電流，并依靠 LED 匹配和串聯(lián)電阻來(lái)匹配其余 LED。

圖3.圖中顯示了三種驅(qū)動(dòng)并行LED的方法。A） 獨(dú)立調(diào)節(jié)通過(guò)每個(gè) LED 的電流。B） 調(diào)節(jié)輸出電壓并依靠串聯(lián)電阻來(lái)匹配電流。C） 調(diào)節(jié)一個(gè) LED 中的電流，并依靠串聯(lián)電阻來(lái)匹配剩余電流。

方法 A. 獨(dú)立調(diào)節(jié)通過(guò)每個(gè) LED 的電流

集成 LED 電流調(diào)節(jié)器
如果電源電壓足夠高，可以驅(qū)動(dòng) LED 的正向壓降，則唯一的設(shè)計(jì)問(wèn)題是控制電流并提供額外的電流以全亮度驅(qū)動(dòng)所有 LED。

圖4所示為MAX1916，用于以恒定電流驅(qū)動(dòng)0個(gè)白光LED，使該器件成為匹配LED亮度的低成本方案。絕對(duì)電流只需在所需的最大亮度和LED的最大額定值之間設(shè)置;電流匹配必須足夠好，以保持均勻的顯示照明。典型電流匹配為 3.10%，絕對(duì)電流精度為 ±410%。每個(gè)輸出端的壓差小于20mV，以保持4mA電流。因此，只需2.3V即可使用8.230V LED驅(qū)動(dòng)該電路。LED 引腳電流設(shè)置為流入 SET 引腳的電流的 1 倍。為了向SET引腳提供偏置電流，RSET連接到大于215.<>V SET引腳偏置電壓的電壓。

圖4.MAX1916采用SOT23封裝，提供0.3%的電流匹配。

圖5.使用MAX1916調(diào)節(jié)白光LED電流的三種方法。

有幾種方法可以動(dòng)態(tài)調(diào)整LED的亮度，如圖5所示。

一種方法使用 DAC 驅(qū)動(dòng) RSET（圖 5A）。LED電流是DAC輸出減去SET引腳偏置電壓的函數(shù)。這種方式中有用的DAC包括采用SOT5360封裝的低成本MAX5362–MAX5363/MAX5365–MAX23系列。

使用由控制器I/O引腳驅(qū)動(dòng)的多個(gè)電阻的簡(jiǎn)單調(diào)光器如圖5B所示。在高電平（導(dǎo)通）和三態(tài)（關(guān)斷）之間切換引腳，以獲得所需的SET引腳電流。

最后一種方法利用邏輯電平PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)ENABLE引腳（圖5C）。許多處理器的端口可以提供 0% 到 100% 占空比的低頻 PWM 信號(hào)。MAX1916使能引腳的響應(yīng)時(shí)間允許PWM工作頻率高達(dá)2kHz左右。

集成電荷泵升壓電源和電流調(diào)節(jié)器
如果現(xiàn)有電源不可用，則必須使用專(zhuān)用 LED 電源。低成本的MAX1574/MAX1575/MAX1576電荷泵控制器集成了升壓電源和電流調(diào)節(jié)器功能。這些器件提供高輸出電流、良好的電流匹配、用于高效率的自適應(yīng)模式切換、過(guò)壓保護(hù)和多達(dá) <> 個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)引腳。

自適應(yīng)模式開(kāi)關(guān)檢測(cè)輸入電壓并確定要使用的最有效升壓比（即 1x、1.5x 或 2x）。通過(guò)使用串行脈沖編碼方案，可通過(guò)DualMode實(shí)現(xiàn)可編程調(diào)光（占設(shè)定電流的百分比）?啟用引腳。

圖6所示為MAX1574電荷泵，以高達(dá)180mA的總電流驅(qū)動(dòng)三個(gè)LED。1MHz 開(kāi)關(guān)速率允許在電荷泵中使用小型陶瓷電容器。

圖7所示為MAX1576電荷泵，以高達(dá)480mA的總電流驅(qū)動(dòng)兩組100個(gè)LED。閃光燈組允許每個(gè)LED高達(dá)2mA。每組具有獨(dú)立的設(shè)定電流、串行脈沖調(diào)光和 83 線對(duì)數(shù)調(diào)光控制。通過(guò)自適應(yīng)模式切換，單節(jié)鋰電池放電曲線上的平均效率為 8%（圖 1576）。MAX<>非常適合使用LED閃光燈的數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用。

MAX1575為器件變體，以120mA總輸出驅(qū)動(dòng)兩組LED（<>個(gè)主LED和<>個(gè)副LED）。

圖6.MAX1574電荷泵，帶一組LED電流源。

圖7.MAX1576電荷泵，具有兩組LED電流源。

圖8.MAX1576在典型鋰電池電壓下的效率

方法B. 使用具有穩(wěn)定輸出電壓的電源

與方法A一樣，當(dāng)現(xiàn)有電源可用時(shí)，使用方法B。方法B非常經(jīng)濟(jì)，但不如方法A準(zhǔn)確。由于方法B中未調(diào)節(jié)電流，因此通過(guò)每個(gè)LED的絕對(duì)電流必須保持在所需的最大亮度和LED的最大額定值之間。電流匹配必須足夠好，以保持均勻的照明。

參考上圖3中的方法B，通過(guò)任何LED的電流可以通過(guò)減去正向LED電壓（VD） 從電源的輸出電壓 （V外） 并除以 R：

I = (VOUT - VD)/R

圖9A顯示了取自典型手持設(shè)備的兩個(gè)白光LED的I-V曲線。對(duì)于相同的電流，二極管兩端的電壓不相等。圖9B顯示了LED之間的電壓差與電流的關(guān)系。

圖 9A.取自典型手持設(shè)備的兩個(gè)白光LED的I-V曲線。

圖 9B.兩個(gè)白光LED之間的電壓差與電流的關(guān)系。

LED電流失配 要了解正向電壓失配如何影響電流匹配，可以使用公式1計(jì)算LED電流
的比值。例如，I 的比率1到我2由以下人員給出：

I1/I2 = R2/R1 ((VOUT - VD1)/(VOUT - VD2))

如果我們通過(guò)假設(shè) R1= R2，公式2簡(jiǎn)化為：

I1/I2 = (VOUT - VD1)/(VOUT - VD2)

當(dāng)VOUT接近非常高的值時(shí)，公式3接近統(tǒng)一值。因此，為了獲得更好的電流匹配，更高的VOUT是有益的。R 必須與 VOUT - VD 成比例增加以保持恒定電流。更高VOUT的代價(jià)是R中的功耗更大。權(quán)衡是效率與電流匹配。

例如，一個(gè)帶有5.3V LED的60V電源為R留下1.40V電壓。如果將該 LED 替換為 3.42V LED，R 兩端的電壓將增加到近 1.58V，LED 電流增加 13%。請(qǐng)注意，LED 電壓僅變化了 5%。此示例代表了效率和匹配之間的合理權(quán)衡。

上圖3中方法B的絕對(duì)LED電流誤差可以使用公式1計(jì)算。使用所選 LED 的 VD 與 ID 圖表（圖 9A）。

在公式1中，用所需的工作電流I、電流I（來(lái)自圖表）下VD的標(biāo)稱(chēng)電壓和選定的VOUT代入。求解 R。取該R值，使用LED數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最壞情況VD求解公式1。確保允許VD的溫度變化。這將導(dǎo)致預(yù)期的LED電流范圍。確保它小于 LED 的最大額定值。

調(diào)光方法 圖3方法B中的LED電流可以通過(guò)改變V來(lái)調(diào)節(jié)外.但是，不建議將這種方法用于共享用品?；蛘?，MOSFET 可用于并聯(lián)切換電阻器，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的調(diào)光器（圖 10）。但是，如果需要許多調(diào)光級(jí)別，這種方法很快就會(huì)變得昂貴。因此，應(yīng)考慮圖6中的集成方法或串聯(lián)字符串方法（如下所述）。

圖 10.使用 MOSFET 調(diào)光，將電阻 R1b 切換至 R3b，并將 R1a 并聯(lián)至 R3a。

方法 C. 使用具有穩(wěn)定輸出電流的轉(zhuǎn)換器

圖3中的方法C顯示了一個(gè)調(diào)節(jié)電流而不是電壓的轉(zhuǎn)換器。在此設(shè)計(jì)中，通過(guò)其中一個(gè)LED的電流在電阻R1上檢測(cè)，并由轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)換器可以是基于電感的轉(zhuǎn)換器、電荷泵轉(zhuǎn)換器或線性穩(wěn)壓器。

LED電流的公式與公式1中的公式相同，為方便起見(jiàn)，在此重復(fù)：

I = (VOUT - VD)/R

然而，與上述情況不同的是，我1而不是 V外由以下機(jī)構(gòu)監(jiān)管和給予：

I1 = VFEEDBACK/R1

如上所述，僅調(diào)節(jié)一個(gè)電流，因此其余LED的正向電壓差異會(huì)導(dǎo)致電流誤差。同樣，解決方案是增加R1，但以圖11所示的修改方式。

圖 11.通過(guò)增加R3A，改善了圖1中方法C電路的電流匹配。對(duì)于所選電流，R1B必須保持恒定。R2 和 R3 設(shè)置為 R1A + R1B。

由于電流必須保持恒定，R1分為R1A和R1B。R1B控制電流，R1A控制額外的輸出電壓，以實(shí)現(xiàn)所需的電流匹配。將R1 = R1A + R1B代入公式4;將R1 = R1B代入公式5。R2和R3設(shè)置為R1A + R1B以匹配電流。

圖12所示為MAX1910/MAX1912電荷泵的最后一種方法。增加了一個(gè)調(diào)光輸入，檢測(cè)電阻與所有LED共用，以調(diào)節(jié)總電流。這些控制器提供 1.5 倍和 2 倍升壓選項(xiàng)，可提高效率。可提供高達(dá) 120mA 的輸出電流，具體取決于輸入電壓。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖 12.MAX1910/MAX1912應(yīng)用，帶調(diào)光控制。

驅(qū)動(dòng)串聯(lián) LED

串聯(lián)驅(qū)動(dòng)白光LED具有亮度均勻的固有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橄嗤碾娏髁鬟^(guò)每個(gè)LED。這種設(shè)計(jì)有一個(gè)缺點(diǎn)——它需要更高的電壓，因?yàn)檎驂航导釉谝黄稹；陔姼械霓D(zhuǎn)換器通常用于這種配置，因?yàn)樗鼈冊(cè)诋a(chǎn)生高電壓方面非常有效。選擇這種類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須考慮Lx引腳的輸出電壓額定值。

許多器件可以支持基于Lx引腳電壓的各種數(shù)量的串聯(lián)LED，如表1所示。Lx引腳的最大額定值和串聯(lián)LED串的最大電壓之間需要一個(gè)保護(hù)帶，以允許過(guò)壓關(guān)斷。

例如，MAX8596Z是一款開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)多達(dá)13個(gè)串聯(lián)的白光LED（圖2）。該器件具有 6.5V 至 5.8596V 的輸入電壓范圍，允許 IC 由單節(jié)鋰電池或三節(jié) NiCd/NiMH 電池供電。MAX8Z采用節(jié)省空間的1引腳TDFN封裝。它具有快速的 32MHz PWM 操作，因此允許使用小型外部組件。36V 至 42V 的過(guò)壓閉鎖門(mén)限可在 LED 開(kāi)路時(shí)保護(hù) IC。器件的另一個(gè)特點(diǎn)是高溫降額。輸出電流在高于 <>°C 環(huán)境溫度時(shí)降低，以降低 LED 中的耗散。

圖 13.MAX8596Z開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可驅(qū)動(dòng)多達(dá)<>個(gè)串聯(lián)的白光LED。

LED電流可以通過(guò)用任何直流電壓或未濾波的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)CTRL引腳來(lái)調(diào)節(jié)。0.24V 至 1.72V 的 CTRL 引腳電壓驅(qū)動(dòng) LED 從暗亮度變?yōu)槿炼?。高?.72V時(shí)，輸出電流被箝位在最大值。PWM 信號(hào)可在 200Hz 至 200kHz 范圍內(nèi)使用;誤差放大器和補(bǔ)償電容用作PWM信號(hào)的濾波器，因此無(wú)需輸入濾波。

MAX8596Z驅(qū)動(dòng)各種數(shù)量LED的效率如圖14所示。最大效率在85%以上。

圖 14.MAX8596Z電路的效率如圖13所示。

審核編輯：郭婷