白光LED驅動電路設計

    最近幾年行動電話、PDA等可攜式電子產品的液晶顯示器逐漸從黑白銀幕更換成彩色銀幕，由于液晶本身不會發光所以液晶顯示必需利用背光照明單元顯示銀幕的信息?？蓴y式電子產品的背光照明單元基于耗電性等考慮，因此白光LED正當快速取代傳統燈泡，成為背光照明單元主要發光組件。為了使白光LED點燈必需使用高順向電壓VF 與順向電流 IF，尤其是背光照明單元的電流控制，對可攜式電子產品的電池動作時間具有絕對性影響，因此本文將深入探討白光LED背光照明單元的動作原理與驅動電路的設計技巧。

LED的驅動特性

圖1是一般穿透式彩色液晶顯示器的結構，由圖可知LCD面板下方設有白光LED光照明單元，白光LED產生的光線經由導光板的反射均勻擴散射入LCD面板內，提供彩色畫面給使用者讀取。 
 
圖1 穿透式彩色液晶顯示器的結構
如圖2所示傳統背光照明單元的白光LED是并聯驅動，由于白光LED的亮度因負載電抗RL的阻抗值使得電流 IF受到限制，也就是說白光LED的亮度取決于電阻的阻抗值。然而白光LED的電壓 VF本身具有不同的波動范圍，因此相同的電阻會使白光LED的亮度產生分布不均現象。 
 
圖2 傳統背光照明單元的白光LED的驅動方式
如上所述白光LED的亮度若不相同時，背光照明單元的光線就會有所謂的照明不均問題，雖然使用電氣特性相同的LED可以改善亮度不均的困擾，不過實際上卻無法對LED廠商作如此要求。此外配合各LED的電氣特性，逐一調整負載電阻的阻抗值，事實上這種方式并非根本的對策。為了使流入LED的電流完全相同，所以將串聯方式改成圖3所示的串聯方式，如此一來即使LED的電壓具有不同的波動值，由于流入各LED的電流ILED相同，因此各LED產生的輝度幾乎一致。
　
 
圖3 LED的串聯驅動方式
　
每個白光LED最少需施加3.6V以上的驅動電壓才能獲得預期的輝度，由圖3可知當復數個白光LED串聯連接時，相對的必需等比例提高驅動電壓。圖4是利用switching regulator IC NJM2360構成白光LED驅動電路，該電路是施加1.25V的電壓 VREF至INVIN端子藉此方式決定RL的阻抗值，也就是說決定白光LED亮度的各LED電流 ILED可由下式求得: 
 
假設各LED的電流ILED為15mA， RL約為830Ω，三個3.6V白光LED的電壓VF并聯連接時，LED整體的驅動電壓 VLED 為:

VLED=  VREF + NVF
     
       =  1.25 + 3x3.6
       =  12.05 (V)
N : 并聯連接的LED數量
　
 
圖4 利用switching regulator IC驅動白光LED的電路

　
白光LED點燈時需要15MA的電流IF ，不過周圍很黑暗的環境時，往往不需作全開驅動，此時可控制驅動電流抑制LED的亮度，進而降低LED的耗電量，這對使用電池的可攜式電子產品而言，乃是非常重要的節約電流技術。有關驅動電流控制技術常用的方法是利用PWM信號作控制，該方法經常被應用在其它領域，例如馬達控制或是聲音信號處理等等。由于PWM信號可使switching regulator作ON/OFF，因此它可使LED的輝度穩定化，同時還可以確保電池長時間的動作特性。由圖5可知周圍溫度一旦超過 500C，白光LED的容許順向電流會大幅降低，在此情況下如果施加大電流，很容易造成白光LED老化，為了減緩白光LED的老化速度，所以必需利用周圍溫度調整基準電壓 VREF ，藉此減少電流的供給。

根據以上的說明可歸納下列結論:

‧ 白光LED的電壓VF非常高。

‧ 電壓 VF本身具有波動值。

‧ 衡時全開點燈會使白光LED的耗電量增加。

‧ 電源電壓變動會影響白光LED的輝度。

為了使白光LED能穩定點燈，且不受電壓VF 本身波動值以及電源電壓變動的影響，所以必需使用專門的白光LED驅動器。
　
 
圖5 周圍溫度與容許順向電流的關系
白光LED的驅動電路

‧基本驅動電路
如圖6所示一般switching regulator是設法使feed back電壓VFB，與內部基準電壓VREF相等進而控制電壓，因此決定白光LED亮度的電流ccc可由下式(1)求得。如果將周圍的亮度也列入輝度控制電路時，如圖6的白光LED驅動電路就變成圖7所示的結構。圖7的電路與圖6的電路最大差異點，是圖7的電路增加設置photo transistor Tr1、電阻R1 與R2voltage follower的OP增幅器(演算增幅器)IC1 ，此時流入Tr1輸出電壓VSENS與白光LED的電流ILED可用下式表示: 
 
換句話說利用上式驅逐白光LED的場合，必需作下列調整作業:

‧為獲得周圍亮度必需調整照度傳感器(sensor)的輸出電壓 VSENS。

‧利用輸出電壓 VSENS調整白光LED的亮度。
　

 
圖6 switching regulator構成的基本LED驅動電路
　
 
圖7利用周圍照度控制LED輝度的驅動電路

　
‧利用PWM信號使switching regulator作ON/OFF的輝度控制電路

上述圖7的驅動電路是在feed back電壓進行輝度控制，相較之下圖8是利用PWM信號使switching regulator作ON/OFF控制輝度。圖中的EN端子是可使switching regulator作ON/OFF的端子，如果對EN端子施加PWM信號，白光LED會以某種速度作ON/OFF，進而獲得控制輝度的預期效應，這種情況必需設置可使photo transistor Tr1的輸出轉換成數字值的A-D轉換器(converter)，以及可從數字值產生PWM信號的電路。利用PWM信號控制白光LED ON/OFF的場合，流入白光LED的平均電流 ILED(avg)可用下式表示: 
　

 
　
　
 
圖8 利用PWM信號控制LED輝度的驅動電路
　

‧白光LED專用驅動電路

接著要介紹白光LED專用驅動電路用NJU6502 IC。圖9是NJU6502 IC的電路方塊圖，NJU6502 IC除了switching regulator之外，還具備photo transistor輸入電路、A-D轉換器、PWM控制器，以及可從微控器(micro controller)設定內部阻抗值與動作模式的serial interface。PWM控制用電阻(resistor)共有8個，每個電阻都可任意 設成6位，各電阻可利用周圍照度亦即photo transistor產生的輸入電壓作選 擇，換句話說輝度的控制可由64階段的其中任意8階段執行，此外周圍照度亦可由微控器直接控制輝度。
　
 
圖9 NJU6052IC的電路方塊圖

　
‧NJU6052IC的應用實例

由圖10可知NJU6052 IC除了可以作升壓與輝度控制之外，電路本身的外置組件非常少。NJU6052 IC的各組件參數(parameter)取決于下列條件:


‧負載阻抗RL 

由于內部基準電壓 VREF為0.6V，因此負載阻抗RL可利用流入LED的電流ILED以及下式求得: 
 

‧內部振蕩器的電容量Cx

內部振蕩器的電容量Cx可利用圖11的坐標圖求得。由于振蕩頻率fOSC 介于350kHz～500kHz之間，因此內部振蕩器的電容量Cx 約為47pF～68Pf左右。

‧L1的電感值(inductance)

L1的電感值(inductance)可用下式求得:
　
 

‧二極管的選用

由于二極管是用于switching regulator，因此選用時必需注二極管的定格電流與逆向耐壓裕度。此外順向電壓越低，switching的速度越快，電力轉換效率就越高，因此可選用shot key barrier二極管。
‧pass control的選用
輸入端可選用積層陶瓷積層陶瓷電容器，而且組裝時盡量設于IC附近。此外輸出端基于抑制波紋(ripple)電壓等考慮，因此建議選用低ESR的電容。雖然輸出端也可以使用積層陶瓷電容器，不過必需注意的是如果電容量太大時放電時間會變長，進而造成與PWM信號的duty比成一定比例的調光控制無法進進行。

　
 
圖10 利用NJU6052KN1 IC構成白光驅動電路
　
 
圖11 Cx與fOSC  的關系
結語
以上介紹有關可攜式電子產品的液晶顯示器用白光LED的驅動技術，白光LED專用的驅動IC可使驅動電路獲得小型、高點燈效率等特性，進而使可攜式電子產品的電池延長動作時間。