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常用LED驱动方案(下)



电容式电荷泵

 

电荷泵利用电容来存储能量,可以把输入电压提升到1、1.5或 2倍。通过一个开关阵列和一个时钟,电容可以交替性地进行并联充电和串联放电,从而提高输出电压。图2可以很好地说明这一原理。 

 

该调节器的最大输出电压取决于电容的数量和分配给充电及放电的时间。飞兆半导体的FAN5607使用了两个电容,有1×、1.5×和2×三种模式。在2.4V 到 5.5V的输入电压范围上,该器件能够为4个白光LED的每一个提供高达30mA的电流。 

 

LED拓扑

 

利用感应式升压转换器,LED能够被串联驱动或并联驱动。串联阵列可确保通过所有LED 的电流都相同,从而保证相同的光强度。这种方案的缺点是,驱动器的输出电压必需等于或超过所有LED的正向电压总和。在某些应用中,这就可能高达24V,于是需要采用击穿电压超过24V的硅工艺,这一般会增加器件的成本。其次,升压转换器的效率也随输出电压的增加而受到影响。表1所示为让4个白光LED产生相同的光量,三种不同拓扑所需功率之比较。如果对效率的要求比较高,串联拓扑并不是好的选择。 

 

尽管转换器不需要把电压提升到太高(如3.3V)就可驱动并联阵列,但并联拓扑需要对每一个LED进行电流调节。由于LED的光强度随电流而变化,所有LED中的电流需要匹配,以保持每一个LED的光强度稳定。这增加了系统的复杂性和成本。并联拓扑的优势在于效率高,从表1数据可看出,FAN5608在并联模式下的的效率比串联模式下略高。 

 

电荷泵主要用于驱动并联阵列,因为输出电压与充电电容的数量有关。电荷泵有一些优点,它们一般只需要较小的板空间,因为电容可以小至0402封装大小。这是一个很显著的优势,尤其是在终端产品为便携式设备时。对便携式无线电产品而言,还有一个好处是产生的EMI更少。即使使用屏蔽电感,感应式升压调节器产生的EMI噪声也超过了普通电荷泵的。这可是手机等便携式接收器的一个重要考虑事项。FAN5607产生的EMI噪声极少,这使它非常适合于驱动手机显示屏中的白光LED。不过,若对板空间和EMI的要求都不太严苛的话,电荷泵可能就不是适当的解决方案。因为,对这种方案来说,要减小尺寸,就得牺牲效率。电荷泵不是最高效的升压调节器,故在计算电池功耗时,必须考虑到这种影响。 

 

调光方法

 

调光有利于改变照明光强度以实现功耗目标或美学价值。LED调光有两种常用方法。第一种是简单地调节电流,电流的微小变化引起LED强度的微小变化,这个过程非常易于控制。第二种方法是利用脉冲宽度调制时钟来改变LED的ON占空比,通过LED的平均电流随占空比的减小而降低。这种方法的主要考虑事项是时钟频率,必须足够高至感觉不到闪烁。一般需要达到1kHz或更高。线性调节和脉冲宽度调制都对白光LED的颜色有影响,但作用相反。 

 

绝大多数白光LED都只是带磷光质涂层的蓝光LED而已。磷光质中的电子被短波长光激发,发出白光。白光LED的颜光或色度将随光振幅、峰值波长或频谱形状的变化而变化。而上述因素又将随结温变化而变化。采用线性电流调节的调光方法会让白光LED偏黄色,因为磷光质在电流减小时更有效。采用脉冲宽度调制的调光方法则会使LED偏蓝色,因为磷光质作用变小。这种影响缘于峰值波长向更短的波长移动。 

 

FAN5607 和 FAN5608都考虑到了上述任一种调光方法的实现。这两款器件都带有可变模拟输入,可线性调节电流。两款器件都能够产生脉冲来导通或关断输出。 理想的调光方法是结合上述两种方法,把色差减至最小。 

 

结语

 

LED是高效的便携式设备显示屏照明方法。由于它们采用半导体技术,故需要独特的调节手段。电荷泵和感应式升压调节器可提供最好的电源解决方案,不过它们各有其优势,应该针对特定应用具体考虑。效率、最小EMI辐射、更小尺寸的重要性都表明必需选用适当的驱动器。另一个重要因素是调光方法。脉冲宽度调制和线性调节的结合可提供稳定的调光方法,同时尽可能地减少色差。确保LED提供恒定光不是什么挑战,但解决方案应该针对相关应用量身定做,以最大限度地发挥其优势。

 

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