应用笔记 3256

白色LED的恒流驱动


摘要 : 用白色LED为显示器或其他照明设备做背光源时,需要对其进行恒流驱动,主要原因是:
  1. 避免驱动电流超出最大额定值,影响其可靠性。
  2. 获得预期的亮度要求,并保证各个LED亮度、色度的一致性。
本文描述了典型LED的参数范围和恒流驱动电路。

图1给出了六只随机挑选的白光LED (其中三只来自两家顶级产商)的正向电流随正向电压的变化关系曲线,这种情况下,如果用3.4V驱动这六只LED,相应的正向电流差别较大:10mA至44mA。

图1. 六只随机挑选的白光LED (其中三只来自两家顶级产商)其正向电流与正向导通电压的对应关系曲线。注意,对于任一给定电压,正向电流变化范围较大-10mA至44mA (3.4V电压下)。
图1. 六只随机挑选的白光LED (其中三只来自两家顶级产商)其正向电流与正向导通电压的对应关系曲线。注意,对于任一给定电压,正向电流变化范围较大-10mA至44mA (3.4V电压下)。

为保证可靠性,驱动LED的电流必须低于LED额定值的要求,典型最大值一般为30mA,但是,从图2可以看出:当环境温度升高时所允许的额定电流会降低,通常,当温度达到50°C时电流需限制在20mA以内。通过观察图1、图2不难得出这样的结论:只是用恒压方式驱动白色LED的方案可靠性较差。

图2. 一般情况下,白光LED正向电流的最大绝对值随环境温度的升高而降低(Courtesy Nichia Corporation)。
图2. 一般情况下,白光LED正向电流的最大绝对值随环境温度的升高而降低(Courtesy Nichia Corporation)。

另外,用恒定电流驱动白色LED还可以获得亮度和色度的一致性。图3给出了几种通用的白色LED驱动电路。

图3. 对于典型的白光LED,通常在IF = 20mA下测试其电特性测。因此,为了得到预知的和匹配的亮度与色度,建议采用恒流驱动(Courtesy Nichia Corporation)。
图3. 对于典型的白光LED,通常在IF = 20mA下测试其电特性测。因此,为了得到预知的和匹配的亮度与色度,建议采用恒流驱动(Courtesy Nichia Corporation)。

图4给出了四种常用的电源电路,用于驱动LED。图5是相应的对上述6只LED进行调节时得到的电流调节精度。图5中调节器的输出负载线画在LED的Vf曲线图上,两条曲线的交点是各个LED的调节点。

图4. 白色LED通常有四种不同的驱动电路:(a) 电压源与镇流电阻,(b) 电流源与镇流电阻,(c) 多路电流源,(d) 一路电流源驱动串联LED。

图4. 白色LED通常有四种不同的驱动电路:(a) 电压源与镇流电阻,(b) 电流源与镇流电阻,(c) 多路电流源,(d) 一路电流源驱动串联LED。

图4. 白色LED通常有四种不同的驱动电路:(a) 电压源与镇流电阻,(b) 电流源与镇流电阻,(c) 多路电流源,(d) 一路电流源驱动串联LED。

图4. 白色LED通常有四种不同的驱动电路:(a) 电压源与镇流电阻,(b) 电流源与镇流电阻,(c) 多路电流源,(d) 一路电流源驱动串联LED。
图4. 白色LED通常有四种不同的驱动电路:(a) 电压源与镇流电阻,(b) 电流源与镇流电阻,(c) 多路电流源,(d) 一路电流源驱动串联LED。

图5. 各个白色LED的正向电压(Vf)对调节电流精度的影响不同,取决于调节电路的结构:(a) 电压源与镇流电阻,(b) 电流源与镇流电阻,(c) 多路电流源或一路电流源驱动串联LED。6只LED (三只来自厂商A和厂商B)的Vf曲线如图所示,调节器的输出负载曲线与LED Vf曲线的交点即为稳定的调节工作点。

图5. 各个白色LED的正向电压(Vf)对调节电流精度的影响不同,取决于调节电路的结构:(a) 电压源与镇流电阻,(b) 电流源与镇流电阻,(c) 多路电流源或一路电流源驱动串联LED。6只LED (三只来自厂商A和厂商B)的Vf曲线如图所示,调节器的输出负载曲线与LED Vf曲线的交点即为稳定的调节工作点。

图5. 各个白色LED的正向电压(Vf)对调节电流精度的影响不同,取决于调节电路的结构:(a) 电压源与镇流电阻,(b) 电流源与镇流电阻,(c) 多路电流源或一路电流源驱动串联LED。6只LED (三只来自厂商A和厂商B)的Vf曲线如图所示,调节器的输出负载曲线与LED Vf曲线的交点即为稳定的调节工作点。
图5. 各个白色LED的正向电压(Vf)对调节电流精度的影响不同,取决于调节电路的结构:(a) 电压源与镇流电阻,(b) 电流源与镇流电阻,(c) 多路电流源或一路电流源驱动串联LED。6只LED (三只来自厂商A和厂商B)的Vf曲线如图所示,调节器的输出负载曲线与LED Vf曲线的交点即为稳定的调节工作点。

图4a所示电路用稳压源配合镇流电阻控制LED的电流,这种结构的优点是选择电压源的余地很大,调节器与LED之间只需要一个连接端点;缺点是效率较低,这主要是镇流电阻的损耗造成的,另外,它对LED正向电流的控制不是很精确。从图5a测试曲线可以看出6只不同LED的电流变化范围是:14.2mA至18.4mA,由厂商A提供的LED平均亮度要比厂商B高一些,工作电流高出2mA。

图4b所示电路用于调节LED的总电流,镇流电阻用于实现各LED之间的匹配。MAX1910采用的就是这种结构,这种电路在驱动同一厂商提供的同一批次的产品时可以获得较好的效果。在与上述电路提供相同电流的条件下,可以减小镇流电阻,使功耗降低一半。图5b给出了六个不同LED驱动电流的变化范围:15.4mA至19.6mA,由厂商A提供的LED电流变化更小一些,来自厂商A和厂商B的LED平均控制电流相同:17.5mA。这种结构的缺陷是镇流电阻耗电仍然较大,而且,各LED电流的匹配性不是很好。但这种电路折衷考虑了性能和电路的简易程度。

图4c可分别调节各LED的电流,无需镇流电阻。电流调节精度和匹配度取决于每个独立的电流调节器。MAX1570采用了这种电流源结构,电流精度为2% 、匹配度达0.3% 。由于电流调节器允许较低的压差,可以获得较高的效率。图5c表明所有被测试的6只白色LED电流均保持在稳定的17.5mA,由于省去了镇流电阻,可有效节省线路板面积,但在调节器与LED之间需要四个连接端。这种电路能够提供较高的性能指标,是基于电感结构的竞争方案。

图4d是一种基于电感的升压电路,将其配置为电流调节器,转换效率较高。较低的反馈门限进一步减小了检流电阻的功率消耗,另外,因为LED按照串联方式连接,任何工作条件下都能够使LED的亮度保持一致。电流精度取决于调节器反馈门限的精度,不受LED正向导通电压变化的影响。MAX1848和MAX1561是这种电流调节电路的两个典型范例,转换效率(PLED/PIN)可以达到87% (3只串联LED)或84% (6只串联LED)。这种电路的另一个优点是在调节器与LED之间只需要两个连接端点,为用户的设计提供了一定的灵活性。但是,由于电路中采用了电感,与上述方案相比尺寸较大、成本较高、EMI辐射也较大。