白光LED在便攜式設備LCD背光中很受歡迎，因為它們比CCFL背光更簡單，更便宜，更小。PDA、手機和數碼相機等便攜式設備需要背光，因為它們正在轉換為彩色LCD顯示器。本文討論用于串聯或并聯配置的白光LED供電的電荷泵和電感升壓轉換器解決方案。使用穩壓或穩壓電流控制器。討論了尺寸、效率、電池壽命和 LED 匹配方面的權衡。

隨著彩色LCD顯示器在手機、PDA和數碼相機中的日益普及，白光LED正在成為流行的照明光源。雖然單色顯示器可以使用彩色光源，例如電致發光背光或彩色LED，但彩色顯示器需要白色光源才能正確顯示顏色。

提供白光源有兩種主要方法：白光LED和CCFL（冷陰極熒光燈）。CCFL已在筆記本電腦中使用多年。然而，由于其尺寸、復雜性和成本優勢，白光LED正在成為小型手持設備的首選光源。

白光LED需要低直流電壓（3V至4V之間），這意味著可以使用簡單的電感器或基于電容器的電路供電。相比之下，CCFL需要高交流電壓（200V有效值至 500V有效值）和昂貴、笨重、基于變壓器的電源電路（圖 1）。

圖1.CCFL電路需要變壓器向熒光燈管提供高電壓。

紅色和綠色LED的正向壓降通常為1.8V至2.4V，并且足夠低，可以直接由典型的電池電源驅動。然而，白光LED通常具有3V至4V的正向壓降，并且更有可能需要單獨的電源。

驅動發光二極管

發光強度隨著通過LED的電流而增加。全光輸出發生在20mA左右。數碼相機和手機通常使用兩到三個LED，而PDA使用三到六個LED。

LED并聯或串聯驅動，如圖2所示。并聯方法的一個缺點是LED電流和亮度不能自動匹配。串聯方法具有固有匹配特性，但需要更高的電源電壓。

圖2.方法A（并聯LED）使用最低的電源電壓，但方法B（串聯的LED）提供最佳匹配。

由于大多數手持設備的電池電壓對于這兩種方法來說都太低，因此需要一個升壓轉換器。電荷泵轉換器提供最小、成本最低的解決方案，因為它們僅依靠小型電容器進行電壓轉換。然而，電荷泵轉換器僅在產生其輸入電壓的離散倍數（例如，1.5倍、2倍）時才有效。因此，基于電感的轉換器通常用于LED串聯方法。使用基于電感的轉換器，可以輕松實現更高的升壓比，并在很寬的輸入至輸出電壓范圍內保持高效率。

驅動并行發光二極管

圖3顯示了驅動LED并聯連接的三種主要方法。

使用現有電源獨立調節通過每個 LED 的電流。

僅調節電源電壓，并依靠 LED 匹配和串聯電阻進行電流匹配。

調節通過一個 LED 的電流，并依靠 LED 匹配和串聯電阻來匹配其余 LED。

圖3.圖中顯示了三種驅動并行LED的方法。A） 獨立調節通過每個 LED 的電流。B） 調節輸出電壓并依靠串聯電阻來匹配電流。C） 調節一個 LED 中的電流，并依靠串聯電阻來匹配剩余電流。

方法 A. 獨立調節通過每個 LED 的電流

集成 LED 電流調節器
如果電源電壓足夠高，可以驅動 LED 的正向壓降，則唯一的設計問題是控制電流并提供額外的電流以全亮度驅動所有 LED。

圖4所示為MAX1916，用于以恒定電流驅動0個白光LED，使該器件成為匹配LED亮度的低成本方案。絕對電流只需在所需的最大亮度和LED的最大額定值之間設置;電流匹配必須足夠好，以保持均勻的顯示照明。典型電流匹配為 3.10%，絕對電流精度為 ±410%。每個輸出端的壓差小于20mV，以保持4mA電流。因此，只需2.3V即可使用8.230V LED驅動該電路。LED 引腳電流設置為流入 SET 引腳的電流的 1 倍。為了向SET引腳提供偏置電流，RSET連接到大于215.<>V SET引腳偏置電壓的電壓。

圖4.MAX1916采用SOT23封裝，提供0.3%的電流匹配。

圖5.使用MAX1916調節白光LED電流的三種方法。

有幾種方法可以動態調整LED的亮度，如圖5所示。

一種方法使用 DAC 驅動 RSET（圖 5A）。LED電流是DAC輸出減去SET引腳偏置電壓的函數。這種方式中有用的DAC包括采用SOT5360封裝的低成本MAX5362–MAX5363/MAX5365–MAX23系列。

使用由控制器I/O引腳驅動的多個電阻的簡單調光器如圖5B所示。在高電平（導通）和三態（關斷）之間切換引腳，以獲得所需的SET引腳電流。

最后一種方法利用邏輯電平PWM信號驅動ENABLE引腳（圖5C）。許多處理器的端口可以提供 0% 到 100% 占空比的低頻 PWM 信號。MAX1916使能引腳的響應時間允許PWM工作頻率高達2kHz左右。

集成電荷泵升壓電源和電流調節器
如果現有電源不可用，則必須使用專用 LED 電源。低成本的MAX1574/MAX1575/MAX1576電荷泵控制器集成了升壓電源和電流調節器功能。這些器件提供高輸出電流、良好的電流匹配、用于高效率的自適應模式切換、過壓保護和多達 <> 個 LED 驅動引腳。

自適應模式開關檢測輸入電壓并確定要使用的最有效升壓比（即 1x、1.5x 或 2x）。通過使用串行脈沖編碼方案，可通過DualMode實現可編程調光（占設定電流的百分比）?啟用引腳。

圖6所示為MAX1574電荷泵，以高達180mA的總電流驅動三個LED。1MHz 開關速率允許在電荷泵中使用小型陶瓷電容器。

圖7所示為MAX1576電荷泵，以高達480mA的總電流驅動兩組100個LED。閃光燈組允許每個LED高達2mA。每組具有獨立的設定電流、串行脈沖調光和 83 線對數調光控制。通過自適應模式切換，單節鋰電池放電曲線上的平均效率為 8%（圖 1576）。MAX<>非常適合使用LED閃光燈的數碼相機應用。

MAX1575為器件變體，以120mA總輸出驅動兩組LED（<>個主LED和<>個副LED）。

圖6.MAX1574電荷泵，帶一組LED電流源。

圖7.MAX1576電荷泵，具有兩組LED電流源。

圖8.MAX1576在典型鋰電池電壓下的效率

方法B. 使用具有穩定輸出電壓的電源

與方法A一樣，當現有電源可用時，使用方法B。方法B非常經濟，但不如方法A準確。由于方法B中未調節電流，因此通過每個LED的絕對電流必須保持在所需的最大亮度和LED的最大額定值之間。電流匹配必須足夠好，以保持均勻的照明。

參考上圖3中的方法B，通過任何LED的電流可以通過減去正向LED電壓（VD） 從電源的輸出電壓 （V外） 并除以 R：

I = (VOUT - VD)/R

圖9A顯示了取自典型手持設備的兩個白光LED的I-V曲線。對于相同的電流，二極管兩端的電壓不相等。圖9B顯示了LED之間的電壓差與電流的關系。

圖 9A.取自典型手持設備的兩個白光LED的I-V曲線。

圖 9B.兩個白光LED之間的電壓差與電流的關系。

LED電流失配 要了解正向電壓失配如何影響電流匹配，可以使用公式1計算LED電流
的比值。例如，I 的比率1到我2由以下人員給出：

I1/I2 = R2/R1 ((VOUT - VD1)/(VOUT - VD2))

如果我們通過假設 R1= R2，公式2簡化為：

I1/I2 = (VOUT - VD1)/(VOUT - VD2)

當VOUT接近非常高的值時，公式3接近統一值。因此，為了獲得更好的電流匹配，更高的VOUT是有益的。R 必須與 VOUT - VD 成比例增加以保持恒定電流。更高VOUT的代價是R中的功耗更大。權衡是效率與電流匹配。

例如，一個帶有5.3V LED的60V電源為R留下1.40V電壓。如果將該 LED 替換為 3.42V LED，R 兩端的電壓將增加到近 1.58V，LED 電流增加 13%。請注意，LED 電壓僅變化了 5%。此示例代表了效率和匹配之間的合理權衡。

上圖3中方法B的絕對LED電流誤差可以使用公式1計算。使用所選 LED 的 VD 與 ID 圖表（圖 9A）。

在公式1中，用所需的工作電流I、電流I（來自圖表）下VD的標稱電壓和選定的VOUT代入。求解 R。取該R值，使用LED數據手冊中的最壞情況VD求解公式1。確保允許VD的溫度變化。這將導致預期的LED電流范圍。確保它小于 LED 的最大額定值。

調光方法 圖3方法B中的LED電流可以通過改變V來調節外.但是，不建議將這種方法用于共享用品。或者，MOSFET 可用于并聯切換電阻器，以實現簡單的調光器（圖 10）。但是，如果需要許多調光級別，這種方法很快就會變得昂貴。因此，應考慮圖6中的集成方法或串聯字符串方法（如下所述）。

圖 10.使用 MOSFET 調光，將電阻 R1b 切換至 R3b，并將 R1a 并聯至 R3a。

方法 C. 使用具有穩定輸出電流的轉換器

圖3中的方法C顯示了一個調節電流而不是電壓的轉換器。在此設計中，通過其中一個LED的電流在電阻R1上檢測，并由轉換器調節。轉換器可以是基于電感的轉換器、電荷泵轉換器或線性穩壓器。

LED電流的公式與公式1中的公式相同，為方便起見，在此重復：

I = (VOUT - VD)/R

然而，與上述情況不同的是，我1而不是 V外由以下機構監管和給予：

I1 = VFEEDBACK/R1

如上所述，僅調節一個電流，因此其余LED的正向電壓差異會導致電流誤差。同樣，解決方案是增加R1，但以圖11所示的修改方式。

圖 11.通過增加R3A，改善了圖1中方法C電路的電流匹配。對于所選電流，R1B必須保持恒定。R2 和 R3 設置為 R1A + R1B。

由于電流必須保持恒定，R1分為R1A和R1B。R1B控制電流，R1A控制額外的輸出電壓，以實現所需的電流匹配。將R1 = R1A + R1B代入公式4;將R1 = R1B代入公式5。R2和R3設置為R1A + R1B以匹配電流。

圖12所示為MAX1910/MAX1912電荷泵的最后一種方法。增加了一個調光輸入，檢測電阻與所有LED共用，以調節總電流。這些控制器提供 1.5 倍和 2 倍升壓選項，可提高效率。可提供高達 120mA 的輸出電流，具體取決于輸入電壓。有關更多信息，請參見數據手冊。

圖 12.MAX1910/MAX1912應用，帶調光控制。

驅動串聯 LED

串聯驅動白光LED具有亮度均勻的固有關鍵優勢，因為相同的電流流過每個LED。這種設計有一個缺點——它需要更高的電壓，因為正向壓降加在一起。基于電感的轉換器通常用于這種配置，因為它們在產生高電壓方面非常有效。選擇這種類型的轉換器時，必須考慮Lx引腳的輸出電壓額定值。

許多器件可以支持基于Lx引腳電壓的各種數量的串聯LED，如表1所示。Lx引腳的最大額定值和串聯LED串的最大電壓之間需要一個保護帶，以允許過壓關斷。

例如，MAX8596Z是一款開關穩壓器，專門設計用于驅動多達13個串聯的白光LED（圖2）。該器件具有 6.5V 至 5.8596V 的輸入電壓范圍，允許 IC 由單節鋰電池或三節 NiCd/NiMH 電池供電。MAX8Z采用節省空間的1引腳TDFN封裝。它具有快速的 32MHz PWM 操作，因此允許使用小型外部組件。36V 至 42V 的過壓閉鎖門限可在 LED 開路時保護 IC。器件的另一個特點是高溫降額。輸出電流在高于 <>°C 環境溫度時降低，以降低 LED 中的耗散。

圖 13.MAX8596Z開關穩壓器可驅動多達<>個串聯的白光LED。

LED電流可以通過用任何直流電壓或未濾波的PWM信號驅動CTRL引腳來調節。0.24V 至 1.72V 的 CTRL 引腳電壓驅動 LED 從暗亮度變為全亮度。高于1.72V時，輸出電流被箝位在最大值。PWM 信號可在 200Hz 至 200kHz 范圍內使用;誤差放大器和補償電容用作PWM信號的濾波器，因此無需輸入濾波。

MAX8596Z驅動各種數量LED的效率如圖14所示。最大效率在85%以上。

圖 14.MAX8596Z電路的效率如圖13所示。

審核編輯：郭婷