基于高效LED驅動模式的理想LED照明設備實現

在如今社會，各種媒體設備照明環境需求的差異化，進一步促進了人類探索如何利用各種高亮度LED進行照明。LED在照明方面的應用已經吸引廣泛關注。

　　LED基本原理及性能特點

　　首先我們來介紹一下LED的基本原理以及性能特點。LED的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。當它處于正向工作狀態時(即兩端加上正向電壓)，電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。

　　LED光源具有以下特點：

　　1.電壓：LED正向導通工作電壓較低，可以使用低壓電源驅動，供電電壓根據最終產品不同而異，是一個比較安全的照明設備，特別適用于公共場所。

　　2.效能：同等照度的情況下消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。

　　3.適用性：每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環境。

　　4.穩定性：通常為10萬小時，光衰為初始的50%。

　　5.響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級。

　　6.對環境污染：無有害金屬汞。

　　7.顏色：LED的發光顏色和發光效率與制作LED的材料和工藝有關，目前有紅、綠、藍三種基本顏色。

　　8.價格：與白熾燈相比，LED的價格較高，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，不過隨著技術工藝的進步，可以逐步提升性價比。

　　LED驅動方案

　　LED自問世以來，就得到人們的極大關注，LED驅動器件和驅動方式不斷更新以便更加有效地驅動LED為人類照明。從早期的DC/DC開關電源到電荷泵，以及追求成本的低邊驅動和LDO,人們在不同的應用情況下選用不同的驅動線路，作為市場關注的熱點，便攜產品的顯示背光是LED背光應用的主要市場，下文將針對便攜產品的背光顯示，介紹當前幾種常見的LED驅動方案。

　　1. Step-UP DC/DC開關電源實現LED驅動

　　該方案主要的特點在于：輸入電壓較低，甚至低至0.7V(單節干電池)，從技術發展的角度看，串聯型驅動出現的比較早，技術上也比較成熟，效率較高。典型的應用線路如圖1所示。

　　圖1：Step-UP DC/DC 開關電源實現LED驅動的典型應用線路。

　　對于這種應用方式，早期的驅動芯片主要采用電流反饋方式，按照VFB/Rb來確定LED的電流，DC/DC反饋電壓VFB一般在1.2V左右，這限制了有效效率的進一步提升，本身DC/DC的效率在80%左右，在這種應用情況下，實際效率降低的更多，而隨著技術的提高，降低VFB電壓到0.1V以內，可以將有效效率提升到85%以上，尤其在驅動2-3顆燈的應用狀態下。該方案的優缺點如下：

　　優點：技術成熟，成本相對較低，通過一些新的技術革新，例如圖1所示的過壓保護功能，或者采用電壓電流反饋共同作用，可以得到較高的亮度一致性以及較高的安全系數，尤其以大尺寸屏幕顯示的背光應用居多。由于需要較多的LED實現屏幕背光，因而亮度的一致性和均勻性是必須面對的挑戰。

　　缺點：本身電感的應用，限制了線路的尺寸以及高度，并且帶來工程設計人員不愿意面對的問題-EMI處理，尤其在靠近射頻部分，需要針對干擾做專門的處理，否則會導致射頻接收靈敏度降低，甚至帶來音頻部分的干擾，例如音頻輸出電流干擾聲。另外，在這種應用情況下，如果一個LED發生故障就會導致整串LED失效，這是人們不愿意看到的結果。

　　2. 電容式電荷泵驅動模式

　　這是一種比較新的驅動方式。簡單來說電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現電壓提升，采用電容器來貯存能量。因工作于較高頻率，可使用小型陶瓷電容器(1μF)，占用空間最小，使用成本較低。電荷泵有兩種工作模式，恒壓模式，恒流模式。

　　1)恒壓模式電荷泵。圣邦微電子的SGM3110就是采用恒壓模式的電荷泵，由于恒壓模式電荷泵的工作特性，本身具有高開關頻率以及大峰值的瞬態電流，因而需要工程師在PCB布板部分額外注意，一般要求外圍的電容盡可能靠近器件本身，外圍布線要盡量短，本身需要周圍的PCB地盡可能大，外圍電容也要盡量直接接到SGM3110的地上，如果布線限制，則可以通過大的PCB過孔以及多個過孔來實現良好接地。

　　效率計算方法：η=Iout*Vout/Iin*Vin

　　由于器件本身存在開關損耗以及電容漏電，因而實際效率要比該值低一些，這跟生產廠家的工藝技術有關。采用這種LED驅動模式的優點在于，可以簡化外圍線路、降低產品成本。尤其在小尺寸屏的情況下，1-2個LED做屏幕背光;或者用做閃光燈驅動，在100mS內達到250mA電流的輸出;或者是簡單的DC/DC 5V升壓簡化版本，替代電感DC/DC升壓，降低成本以及產品EMI問題。缺點在于只有簡單的兩倍升壓模式，效率較低，大多數時間效率低于70%，實際利用效率更低，其中有相當一部分消耗在限流電阻上。在驅動多個LED的時候，背光一致性完全依賴于LED以及限流電阻的精度。