白色发光二极管背光源及其驱动电路设计分析

探路者

白色发光二极管背光源及其驱动电路设计分析 [复制链接]

近几年，业界开始大量采用LED替代CCFL和EL作为LCD的背光（背景光照明的简称），与CCFL、EL相比。LED具有如下优点：

　　1）可使LCD色彩更逼真，采用LED背光可以提供130%的NTSC色阶，而CCFL仅为70%.色阶的扩充使LCD影像色度更饱和、更逼真；

　　2）可使LCD厚度更薄，在18英寸LCD模块中，LED背光厚度为4mm~6mm,CCFL为8mm~12nm;

　　3）寿命长，可达5万小时；

　　4）符合环保要求，LED不含汞，

　　5）与EL背光相比，LED背光不会产生于扰。因此，LED背光广泛用于PC、TV、汽车音响、手机、通信设备、个人数字助理（PDA）和手表等领域，它已成为LCD背光市场的主导产品。

　　2002年LED的市场需求量占背光市场总需求量的60%左右，目前，有绿、红、蓝和白色LED作为LCD的背光，由于价格因素，绿色LED居主流，约占LED背光产品的80%,它们的额定电流为2mA~20mA,亮度为600mcd.由于白色LED的成本较高，目前主要用于彩屏手机和彩屏PDA的背光以及汽车仪表的照明。

　　白色LED的发光机理及特性

　　1发光机理

　　单芯片白色LED是一种含InGaN活性层的CaN发光二极管，它主要有两种发光机理：一种是结合蓝色LED和黄磷，通过蓝光和磷发射的黄光的混合产生白光；另一种是通过紫外光LED和红、蓝、绿磷的组合产生白光。

　　2特性

　　白色LED的主要特性有：正向压降为3.5V;发光效率大于20lm/W,优于白炽灯泡，次于荧光灯（601m/W~100lm/W），2004年，发光效率可提高到60lm/w,接近荧光灯水平，从而可大量用于照明市场；光通量为231m;封装尺寸小。Nichia公司于2003年推出SMD型白色LED,型号为NSCW215,它是一种侧视SMD型白色LED,高度为0.8/1mm,电流为20mA时，亮度达600mcd.ToyodaGosei公司推出SMD型白色LED,尺寸为3.2mm×2.8mm,型号为TGwhite,电流为20mA时，亮度达100mcd,发光效率为4.5lm/W~5lmW.

　　citizen公司采用Nichia公司的白色LED裸片开发出迄今为止世界上最小的白色LED,其厚度为0.55mm.Nichia公司的非SMD型白色LED的尺寸为11.2mm（宽）×7.2mm（长）×6mm（高），寿命长，达5万小时以上。白色LED在照明市场上的应用前景诱人，为此，世界各国LED厂商加紧开发大功率白色LED,如Nichia公司开发出大功率InGaNLED,功率达1W~2W,是现有LED的10倍。美国加州大学固态发光及显示中心计划在2007年前开发出发光效率为200lm/W的白色LED.

　　3白色LED驱动电路

　　目前，白色LED主要用于彩屏手机和彩屏PDA,一个彩屏LCD的均匀背光需要3个~4个或更多的白色LED,智能手机可能需要6个或更多的白色LED.由于白色LED需求的增多。有力地推动了白色LED驱动器市场的增长。据Linear公司电源事业部产品营销经理TonyArmstrong估计：“2003年手机出货量将超过4亿部。其中至少有60%~70%是彩屏手机，此外。还将有1000部彩屏PDA,市场将有几亿块白色LED驱动器的需求”,由于白色LED的正向压降为3.5V,当单节锂电池相近，因此，需要一个升压转换器来解决白色LED的正向电压问题。

　　目前，升压有两种解决方案：一是电荷泵方式（开关电容器），其优点是占用面积小，但效率低，国家半导体公司推出的白色LED驱动器采用这种开关电容，该公司认为，如果采用升压转换器，当驱动器处于断电状态时就会有漏电流；二是电感开关升压方式，其优点是效率高，但占用面积大。

　　目前，大多数白色LED驱动器厂商都采用电感开关升压方式，如Catalyst公司的CAT32型白色LED驱动器，它工作在1.2MHz的固定频率上，它可增强低电压电池的电压，并自动调整驱动电流，最多可支持4个串联在一起的白色LED.该公司正在开发比CAT32更先进的白色LED驱动器，它可通过MPU对电流进行控制，并集成了无源元件，从而节约了成本。Linear公司推出片上集成肖特基二极管的白色LED驱动器，这样，驱动电路只需两个外部电容器、一个电阻器和一个电感器。而一般白色LED驱动器是集成MOSFET.

　　白色LED驱动电路由白色LED驱动器和外围电路（包含晶体管、二极管、电感器、电容器和电阻器等）组成。驱动白色LED需要一个恒流源，电流一般为15mA~20mA.LED的亮度依赖于其正向电流，所以多个白色LED串联使用，可保证流过每个白色LED的电流都相同。正向编置的4个串联白色LED需14V电压，该电压通过升压稳压器来提升单节锂电池（2.7V~4.2V）故称工作电压来获得。

　　例如一种单节锂电池（2.7V~4.2V）供电的高效率白色LED驱动电路。选用的SP6682是一块标准的稳压充电泵电路。它含有一个内部500kHz振荡器，用以正常驱动充电泵电容器，使输人电压提高一倍。将相关电阻两端的电压与SP6682的0.3V参数电压比较，该驱动电路的效率达87%.通常，市售的集成升压稳压器以1.24V带隙电压作为反馈参考电压，将使相关电阻两端产生1.24V的压降。从而使转换效率降低7%.SP6682的0.3V参考电压远低于1.24V,而效率的降低与参考电压成正比。MOSFET具有很小的导通电阻和很高的开关速度，这些参数优于其他集成开关。MOSFET的击穿电压会限制最大输出电压，通过调节该电压以驱动所需几个白色LED的系统。在SP6682的启动引脚6上加一个PWM信号，可使稳压器关闭和重新启动，可以精确地控制白色LED的亮度。

　　双节锂电池（6V~8.4V）供电的白色LED驱动电路可以选用的白色LED驱动器，比如TI公司的TPS61042就是一块适合双节锂电池供电的白色LED驱动器，但TPS61042的输入电压仅为1.8V~6V,只要巧妙地将TPS61042的输入电压与功率级分开，就能使TPS61042驱动白色LED.将系统3.3V电压接到驱动器的引脚VIN上，驱动器的功率级输入直接连接到双节锂电池上。通常，功率级可连接到低于可需输出电压的任何电压输出端。由于升压拓扑，功率级的输入电压必须低于输出电压，或者电感器和二极管直接将输入电压传送到输出端。引脚SW上的允许最大电压为28V,限制了功率级的最大输入电压。相关的驱动电路表明，输入电压越高，效率也越高。所以，驱动电路可以完全不受其输入电压范围的限制，并能有效地节约系统成本和板极空间，还提高了效率。

　　对于单节1.5V电池白色LED驱动电路，采用的是TI公司的SN74AUClGl4或Fairchild公司的NC7SPl4单栅施密特倒相器。只要施密特触发器输出高电平脉冲持续3μs,就可导致大约65mA的峰值电感器电流，并使白色LED产生极高亮度的白光。即使电池电压小到500mV,相应的33mA峰值电流仍可使白色LED发出足够亮的白光。在室温下，这种测试电路仅需650mV的电压就可启动。

　　由此可见，要根据需要对不同尺寸的LCD和不同电池的电压应采取不同的白色LED驱动电路。这样才是最节能最高效的驱动电路。

　　简介相关的英飞凌LED驱动器系列

　　英飞凌科技股份公司宣布推出新的低成本线性LED驱动器系列，树立行业性价比基准，进一步壮大其高能效照明IC产品的阵容。全新推出的BCR320和BCR420产品系列可满足市场对节能环保发光二极管（LED）照明解决方案的急剧增长的需求。额定电流为150毫安至200毫安的LED驱动器经过专门设计适用于驱动0.5瓦LED,具备负温度系数，可延长LED的使用寿命，同时具备一个脉宽调制（PWM）信号的数字接口，实现亮度调节。

　　不久前刚刚问世了能效更高的0.5WLED,英飞凌的0.5WLED驱动有望得到更广泛的应用。然而，目前用于实现LED电流偏置的电阻器解决方案有巨大的缺陷，例如不均匀的光输出，以及LED使用寿命缩短等。另外，开关模式驱动器无法满足半瓦LED产品的价位要求，并且增加了组件数量和提高了驱动电路的复杂性。

　　全新推出的BCR320和BCR420LED驱动器经过专门设计克服了所有这些不足，为半瓦LED产品提供了一个成本极低、外形小巧和简单易用的解决方案。

　　采用这两种器件进行产品设计，可避免使用电感器、电容器和续流二极管，因而可降低成本，大幅缩小占板空间。无需使用电解电容器还可延长LED产品的使用寿命。

　　BCR320系列和BCR420系列LED驱动器的技术说明

　　BCR320产品经过专门设计，峰值输出电流高达300毫安。为实现连续运行，建议最大标称电流为250毫安。尽管这种器件的内部击穿电压的典型值为20伏，但它的工作电压可达24伏或者更高，因为它是与LED串联的。

　　BCR320主要适用于一般照明、建筑照明和情调照明等应用。另一个快速增长的市场是商店照明，在门店中，0.5瓦LED是首选产品，因为它可确保光线更加柔和。BCR320器件具备负温度系数，这意味着，在温度升高的情况下，电流会以0.2%/K的斜率降低。BCR320U型号和BCR321U型号采用极小的SC-74封装（2.9毫米x2.5毫米x1.1毫米），功耗为1瓦。BCR320P型号和BCR321P型号采用SOT-223封装（6.5毫米x7.0毫米x1.6毫米），功耗为2瓦。BCR321U型号和BCR321P型号提供一个逻辑电平输入端口，用于亮度调节。

　　相对于BCR320而言，BCR420系列具备更高的内部击穿电压和较低的输出电流。BCR420的内部击穿电压的典型值为50伏，标准输出电流为150毫安。该系列LED驱动器适用的应用与BCR320类似，最大驱动电流为150毫安。此外，该系列器件目前正在申请AECQ101认证，旨在获得应用于汽车产品的资格。BCR420和BCR421都采用SC-74封装。BCR421型号配备了一个微控制器接口，用于亮度调节。

　　目前BCR320U和BCR420ULED驱动器已投入量产。BCR320P和BCR321P预计将于2010年第一季度实现量产。