- 如何提高LED的照明效率
- 如何驅動高VF電壓LED
- 電感型轉換器恒流驅動提升效率
LED在手機的LCD背光中的廣泛應用已經有若干年了。如今其應用正擴展到大面積的LCD應用，包括袖珍PC、汽車導航GPS、數字相框、可攜式DVD乃至筆記型計算機。LED也正開始取代家用的、汽車和其它通用光源的傳統白熾燈和鹵素光源。這一趨勢背后的動力是技術的快速進步，包括LED更亮，效率更高，價格更具競爭能力。實際使用LED的理由很簡單，就是具有高可靠性和更長的壽命，在不需要更換的地方為終端用戶提供免維護的產品。
為了在LCD應用中提供均勻的背光，幾個白色LED通常沿著LCD的一個邊安裝。LED的數量正比于LCD的尺寸。對于中等尺寸(7-10英吋)，通常共使用20-40個LED。這些LED通常被連接成平行的3個或更多的LED串。為了減少連接點，許多LCD只提供一個2端接口。這里，所有的LED串必須在內部平行連接，然后連接到一個單電源上。
驅動類型
為了在中等LCD尺寸的應用中獲得所期望的亮度，要求驅動器在所有的工作條件下能夠為LED提供一個可調整的電流。通常，采用兩種LED驅動技術：即容性電荷泵和基于電感的交換式穩壓器。本文將集中討論能夠為LED提供1-6W功率的電感式轉換器LED驅動電路。
電荷泵型LED驅動如今在手機和其它小尺寸的LCD背光應用中普遍使用，原因在于它們的高亮度、低成本和實現容易。電荷泵所需要的外部零組件只有3只或4只電容，且沒有電感。不過，其輸出功率有限。
雖然一些大功率快閃型LED電荷泵能夠提供高達2W的功率，其輸出電壓最大只能到6V，因此無法驅動2只以上串聯的LED。電荷泵中的通道數量(通常為6個)決定了LED的數量。由于更多的通道意味著需要更多的接腳和更大的封裝，因此電荷泵限制了在中等尺寸面板中的應用。
LED正向電壓(VF)，LED電流以及電源電壓范圍的不同組合，決定了所需的電感型轉換LED驅動器的類型，LED VF隨著電流、溫度和LED型號的不同而變化。出現在最低溫度時的最大VF是選擇LED驅動電路結構的關鍵參數，通常是在線性結構、降壓或升壓結構中進行選擇。本文中假定最大VF為3.8V。
當選擇LED驅動IC時，關鍵參數包括開關電流極限、最大輸出電壓，以及需要保護開路LED條件所需的過壓保護閾值等。像電感和電容這類外部零組件也需要仔細選擇。
應用實例
以8英吋的LCD模塊為例，包括總共9串(每串3只)白色LED組成的背光(圖1)。LED串的總電壓(LED的VF為3.3V)通常為10V(3×3.3V)。每只LED的電流為20mA，則總驅動電流為180mA(9×20)，LED總功耗為1.8W。用一個AC電源配接器提供一個5V電源。一個基于電感的LED驅動器非常適用于該應用。
圖1：8英吋LCD模塊背光電路。[page]
首先計算處理2W的負載需要多大的開關電流。假定效率為80%，輸入電流等于Vout×Iout/Vin×效率=10×0.18/5×0.8=450mA。CAT4139電感型升壓LED驅動器具有750mA(最小值)的驅動能力，故很適合于該應用。
電感的電流額定值應該能夠處理LED驅動峰值開關電流且不進入飽和。一旦出現飽和，就會出現電流突波，因為此時電感的功能便成了一只電阻，電路不再按照預期工作。合適的電感額定電流應該大于等于80mA。
工作期間LED的最大輸出電壓應該低于額定最大輸出電壓。由于3只LED串聯，在冷溫下，總正向電壓可能高達11.4V(3×3.8V)。24V的開路LED檢測閾值遠高于其極限值。如果LED斷開，輸出電壓將會上升并保持在30V，此時組件處于低功率模式，從電源吸納的電流僅有幾毫安。30V額定輸出電壓的電容是合適的。
現在考慮由12V電源供電的一只6W LED燈。可以用6只高亮度白色LED串聯連接來實現，用一個300mA的固定電流來驅動，典型的正向電壓為3.3V。
LED串的電壓通常為20V，在冷溫將會增加到23V(6×3.8V)。該電壓對于CAT4139這類組件過高。需要利用向CAT4240這類具有更高電壓的升壓型LED驅動器來驅動負載。CAT4240升壓LED驅動器的過壓檢測閾值為40V，適用于串聯燈數高達10只的LED串。
選用降壓型開關電源
當電源電壓高于總LED正向電壓時，可以選用一個線性電流源或者開關降壓穩壓器來為LED提供恒流。不過線性電流源有一個缺陷，即耗散在穩壓器中的功耗正比于電源到負載的電壓差。開關電源的效率較高，能夠避免任何較大的熱量耗散在IC上，且工作溫度接近或者略為高于環境溫度。
圖2說明了如何利用CAT4201從一個24V電源來驅動5只1W的LED。LED電流由外部電阻R1來設定。CAT4201降壓LED驅動器利用兩階段開關作業來提供精確的平均電流。在第一階段，位于內部的CAT4201 FET開關將SW端連接到地，使電流上升并對電感充電。
圖2：使用CAT4201驅動5個1W的LED。
電感兩端的電壓基本上等于24V減去LED的壓降。一旦電流達到預定的峰值，內部開關就切斷，而電流則繼續流過蕭特基二極管，直到電感放電為止。
當電感的電流降到0時，將重復上述過程，因而電感電流的波形為三角形。本例中，開關頻率約為260kHz。LED兩端的電容C2將LED的電流突波減到最小。采用大電容會將突波減到更小。本例中的總轉換器效率(LED功率除以來自VBAT的功率)可達94%。
在調節過程中LED電流保持完好，只要VBAT高于總VF+3V。低于該電平時，LED電流將線性降低。針對特定應用，必須選配合適的交換式穩壓器和外部零組件。交換式穩壓器的高效率使得在電源管理電路中的熱耗散不再是一個問題，而用戶得到的好處則是節省了能源。
線性電流穩壓器IC能夠提供固有的低噪聲性能(沒有開關)，但由于封裝溫度的限制，只適用于小電流應用。當用來驅動中規模尺寸的面板和通用照明應用時，電感型轉換器LED驅動器是可選的解決方案，可以實現良好控制的LED和最佳的總發光效率。選擇合適的電感型轉換器有助提升效率，而實際上是升壓或是降壓，則取決于應用的電源和LED的配置結構。
