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LED驅(qū)動電路:技術(shù)升級 追求高效

作者: 時間:2011-10-08 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

驅(qū)動電路是(發(fā)光二極管)產(chǎn)品的重要組成部分,其技術(shù)成熟度正隨著市場的擴(kuò)張而逐步增強(qiáng)。無論在照明、背光源還是顯示板領(lǐng)域,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,便攜產(chǎn)品中的地位不可動搖,即便是在大尺寸LCD的背光源當(dāng)中,LED也開始挑戰(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、長壽命、免維護(hù)等諸多光環(huán)而受到市場的追捧。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就是這樣一位“幕后英雄”。

驅(qū)動技術(shù)逐步升級

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,放出過剩能量,從而引起光子的發(fā)射。LED的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源,同時按照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,它們在充滿電之后約為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,因而需要使用升壓電路在整個電池使用周期內(nèi)不間斷地為LED穩(wěn)定供電。
此外,許多產(chǎn)品設(shè)計者希望LED的亮度在不同的應(yīng)用場合能夠作相應(yīng)的變化,這個任務(wù)也將交給驅(qū)動電路去完成。PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)是一種傳統(tǒng)的調(diào)光方式,它利用簡單的數(shù)字脈沖,反復(fù)開關(guān)LED驅(qū)動器,系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的數(shù)字式脈沖,即可簡單地實(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)用簡單,效率高,但一個致命的缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生電磁干擾,有時甚至?xí)a(chǎn)生人耳能聽見的噪聲。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,某些廠商的LED驅(qū)動電路中還被集成了一些附加功能,比如音頻功放。華潤矽威科技(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,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)計方案

如前所述,升壓是LED驅(qū)動電路的重要任務(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)動的,而電感在進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換時效率最高,因此電感升壓方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是效率高,如果設(shè)計得當(dāng)可以超過90%;不過它的缺點(diǎn)也同樣明顯,就是電磁干擾很強(qiáng),對手機(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?!绷栎x簡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)換器工作在開關(guān)模式,會在輸入、輸出端產(chǎn)生電壓、電流紋波。“有時,紋波和噪聲會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而言更顯著,因?yàn)殡姵仉娫淳€在系統(tǒng)中是公用的,當(dāng)開關(guān)頻率相同、驅(qū)動同樣的輸出負(fù)載、使用相同的輸入電容時,電荷泵架構(gòu)和電感電路的輸入紋波在同一量級,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,“輸出紋波也是一個考慮因素,特別是當(dāng)引線較長時。長引線如同一個天線,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)動電路與LED的放置位置非常接近時,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關(guān)波形,如果在開關(guān)節(jié)點(diǎn)加一個小電容,減緩開關(guān)信號的上升/下降沿,將有助于降低電磁干擾,但同時會影響效率。”可見,最終的升壓方式和設(shè)計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

無論在照明應(yīng)用還是背光應(yīng)用領(lǐng)域,提高驅(qū)動電路的轉(zhuǎn)換效率都是產(chǎn)品設(shè)計者必須面對的問題。提高轉(zhuǎn)換效率,不僅有利于便攜式產(chǎn)品延長待機(jī)時間,同時也是解決LED散熱問題的重要手段。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:“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,芯片自動選擇1倍模式,因?yàn)榇穗妷阂炎阋则?qū)動白光LED;而當(dāng)電壓低于1.5V時,芯片將自動改用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,也盡可能地延長了電池的使用壽命?!?BR> 杭州士蘭微電子股份有限公司研究所副所長吳建興表示,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,也就是說要在有限的空間內(nèi)盡可能地提高效率,這是設(shè)計人員所面臨的挑戰(zhàn)。“就照明應(yīng)用而言,提高LED器件本身的光電轉(zhuǎn)換效率會更有意義?!眳墙ㄅd補(bǔ)充道。



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