LED驅(qū)動(dòng)電路：技術(shù)升級(jí) 追求高效

驅(qū)動(dòng)電路是LED(發(fā)光二極管)產(chǎn)品的重要組成部分，其技術(shù)成熟度正隨著LED市場(chǎng)的擴(kuò)張而逐步增強(qiáng)。無(wú)論在照明、背光源還是顯示板領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)架構(gòu)的選擇都應(yīng)與具體的應(yīng)用相匹配。
作為LCD(液晶顯示器)的背光源，LED在便攜產(chǎn)品中的地位不可動(dòng)搖，即便是在大尺寸LCD的背光源當(dāng)中，LED也開(kāi)始挑戰(zhàn)CCFL(冷陰極熒光燈)的主流地位；而在照明領(lǐng)域，LED作為半導(dǎo)體照明最關(guān)鍵的部件，更是因?yàn)轫斨?jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命、免維護(hù)等諸多光環(huán)而受到市場(chǎng)的追捧。然而人們可曾關(guān)注，在光彩奪目的“明星”身后，有多少“配角”在默默奉獻(xiàn)？LED驅(qū)動(dòng)電路就是這樣一位“幕后英雄”。

驅(qū)動(dòng)技術(shù)逐步升級(jí)

LED的發(fā)光機(jī)理是在它兩端加上正向電壓，使半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合，放出過(guò)剩能量，從而引起光子的發(fā)射。LED驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，同時(shí)按照LED器件的要求完成與LED的電壓和電流的匹配。以白光LED為例，白光LED需要大約3.6伏的供電電壓才能實(shí)現(xiàn)合適的亮度控制。然而，大多數(shù)便攜式電子產(chǎn)品都采用鋰離子電池作電源，它們?cè)诔錆M電之后約為4.2伏，安全放完電后約為2.8伏，顯然白光LED不能由電池直接驅(qū)動(dòng)，因而需要使用升壓電路在整個(gè)電池使用周期內(nèi)不間斷地為L(zhǎng)ED穩(wěn)定供電。
此外，許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)者希望LED的亮度在不同的應(yīng)用場(chǎng)合能夠作相應(yīng)的變化，這個(gè)任務(wù)也將交給驅(qū)動(dòng)電路去完成。PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)是一種傳統(tǒng)的調(diào)光方式，它利用簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖，反復(fù)開(kāi)關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的數(shù)字式脈沖，即可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)LED的亮度。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供高質(zhì)量的白光，以及應(yīng)用簡(jiǎn)單，效率高，但一個(gè)致命的缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生電磁干擾，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生人耳能聽(tīng)見(jiàn)的噪聲。北京思旺電子技術(shù)有限公司首席執(zhí)行官裴石燕介紹了數(shù)字調(diào)光技術(shù)，利用該技術(shù)可以實(shí)時(shí)地控制LED亮度，并且避免了電磁干擾。
在完成“本職工作”的同時(shí)，某些廠商的LED驅(qū)動(dòng)電路中還被集成了一些附加功能，比如音頻功放。華潤(rùn)矽威科技(上海)有限公司總經(jīng)理凌輝表示，目前已經(jīng)有很多企業(yè)在從事PMU(電源管理單元)的設(shè)計(jì)，即盡可能多地把一些模擬功能集成在單芯片里，這樣的設(shè)計(jì)可以在節(jié)省PCB(印制電路板)空間、提高可靠性、降低成本等方面作出一些貢獻(xiàn)，但是否需要采取這種方式，最終還是取決于產(chǎn)品應(yīng)用的需求。

系統(tǒng)需求決定設(shè)計(jì)方案

如前所述，升壓是LED驅(qū)動(dòng)電路的重要任務(wù)，而電感升壓和電荷泵升壓是兩種不同的拓?fù)淠Ｊ?。“由于LED是由電流驅(qū)動(dòng)的，而電感在進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換時(shí)效率最高，因此電感升壓方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是效率高，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)可以超過(guò)90%；不過(guò)它的缺點(diǎn)也同樣明顯，就是電磁干擾很強(qiáng)，對(duì)手機(jī)等通信產(chǎn)品的系統(tǒng)要求就非常高。隨著電荷泵的出現(xiàn)，目前大多數(shù)手機(jī)都不再采用電感升壓方式。當(dāng)然，采用電荷泵的升壓方式其效率將低于電感升壓。”凌輝簡(jiǎn)要地列舉了兩種升壓方式的優(yōu)劣。
電荷泵和基于電感的轉(zhuǎn)換器工作在開(kāi)關(guān)模式，會(huì)在輸入、輸出端產(chǎn)生電壓、電流紋波?！坝袝r(shí)，紋波和噪聲會(huì)耦合到其他敏感電路(如手機(jī)的射頻收發(fā)器)，影響產(chǎn)品性能。輸入紋波的影響相對(duì)而言更顯著，因?yàn)殡姵仉娫淳€在系統(tǒng)中是公用的，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率相同、驅(qū)動(dòng)同樣的輸出負(fù)載、使用相同的輸入電容時(shí)，電荷泵架構(gòu)和電感電路的輸入紋波在同一量級(jí)，增大輸入電容有助于降低輸入紋波?！盡axim公司便攜式通信設(shè)備電源產(chǎn)品線總監(jiān)TonyLai解釋，“輸出紋波也是一個(gè)考慮因素，特別是當(dāng)引線較長(zhǎng)時(shí)。長(zhǎng)引線如同一個(gè)天線，能夠向電路引入更多的耦合噪聲，由于電感升壓電路只需要兩條引線，可能更適合這一應(yīng)用。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路與LED的放置位置非常接近時(shí)，則推薦使用電荷泵。另外，電感升壓電路在電感與肖特基二極管的連接處有較高幅度的開(kāi)關(guān)波形，如果在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)加一個(gè)小電容，減緩開(kāi)關(guān)信號(hào)的上升/下降沿，將有助于降低電磁干擾，但同時(shí)會(huì)影響效率?！笨梢?jiàn)，最終的升壓方式和設(shè)計(jì)方案的選擇往往是根據(jù)系統(tǒng)的需求，在綜合考量各種技術(shù)指標(biāo)之后達(dá)成的妥協(xié)。

提高效率是永恒主題

無(wú)論在照明應(yīng)用還是背光應(yīng)用領(lǐng)域，提高驅(qū)動(dòng)電路的轉(zhuǎn)換效率都是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者必須面對(duì)的問(wèn)題。提高轉(zhuǎn)換效率，不僅有利于便攜式產(chǎn)品延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，同時(shí)也是解決LED散熱問(wèn)題的重要手段。在照明領(lǐng)域，由于使用大功率LED，因此提高轉(zhuǎn)換效率就顯得尤為重要。
談到在提高效率方面的成果，裴石燕說(shuō)：“思旺電子的電荷泵升壓模式可選擇兩種倍增因子：1倍和1.5倍。當(dāng)電壓在3.8V和4.2V之間時(shí)，芯片自動(dòng)選擇1倍模式，因?yàn)榇穗妷阂炎阋则?qū)動(dòng)白光LED；而當(dāng)電壓低于1.5V時(shí)，芯片將自動(dòng)改用1.5倍模式，在這種模式下，即便電壓降至2.8V，LED仍舊能正常工作。這樣的混合模式在提高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，也盡可能地延長(zhǎng)了電池的使用壽命。”
杭州士蘭微電子股份有限公司研究所副所長(zhǎng)吳建興表示，僅從技術(shù)角度而言，提高轉(zhuǎn)換效率并不復(fù)雜，但是器件本身要受外界條件約束，比如體積的限制，也就是說(shuō)要在有限的空間內(nèi)盡可能地提高效率，這是設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)?！熬驼彰鲬?yīng)用而言，提高LED器件本身的光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)更有意義。”吳建興補(bǔ)充道。