各種白光LED驅(qū)動電路特性評比
1996年日亞化學(xué)的中村氏發(fā)表藍光LED之后,白光LED就被視為次世代照明光源最具發(fā)展?jié)摿Φ慕M件,因此有關(guān)白光LED的性能改善與商品化應(yīng)用,立即成為各國研究的焦點。目前白光LED已經(jīng)分別應(yīng)用在公共場所步道燈、汽車照明、交通號志、可攜式電子產(chǎn)品、液晶顯示器等領(lǐng)域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率,一般認為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源,因此各廠商陸續(xù)推出白光LED專用驅(qū)動電路與相關(guān)組件,有鑒于此本文接著要探討各種白光LED專用驅(qū)動電路的特性,與今后的發(fā)展動向。
定電流驅(qū)動的理由
白光LED使用電流驅(qū)動的理由主要兩項,分別是:
1.白光LED的光度是以順向電流規(guī)范
白光LED的順向電壓通常被規(guī)范成「20mA時,最小為3.0V,最大為4.0V」,換言之若單純施加一定的順向電壓時,順向電流會作大范圍的變化。
圖1是從A、B兩家LED廠商的產(chǎn)品中隨機取樣三種白光LED,進行順向電壓與順向電流特性檢測的結(jié)果。根據(jù)檢測結(jié)果顯示若利用3.4V順向電壓驅(qū)動上述六種白光LED時,順向電壓會在10mA~44mA范圍內(nèi)大幅變動。
由于白光LED的光度與色度是以定電流方式量測,為獲得預(yù)期的亮度與色度,所以通常是用定電流驅(qū)動。
2.日亞NSCW455白光LED的電氣特性是以Iv=20mA 條件測試時可以預(yù)估光度與色度,因此建議以定電流方式驅(qū)動。
(a)白光LED的電氣與光學(xué)特性(Ta=250C )
(b) 光度坐標的等級(rank)(IF=20mA,Ta=250C)
表1 實際白光LED的規(guī)格
項目 |
符號 |
條件 |
最小值 |
標準值 |
最大值 |
單位 | |
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光度
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Iv |
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2.避免順向電流超越容許電流值
有關(guān)白光LED的可靠性,基本上就是需設(shè)法避免順向電流超過白光LED的絕對最大設(shè)計值(定格值)。如圖2所示白光LED的定格最大順向電流為30mA,隨著周圍溫度的上升,容許順向電流則持續(xù)衰減,如果周圍溫度為500C的話,通常順向電流就不能超過20mA。此外利用定電壓的驅(qū)動方式不易控制流入LED的電流值,因此無法維持LED的可靠性?!?
白光LED的驅(qū)動方法
圖3是驅(qū)動白光LED常用的四種電源電路;圖4是上述六種隨機(random)取樣白光LED,穩(wěn)定化后的Regulation精度特性。根據(jù)圖4的測試結(jié)果顯示,Regulator的負載特性出現(xiàn)在白光LED的VF角落(curve)上,也就是說圖中的交叉點就是各白光LED的穩(wěn)定動作點。
a.使用電壓Regulator的驅(qū)動方式
圖3(a)的電路分別使用可以控制LED電流的電壓Regulator與Ballast電阻,這種電路的優(yōu)點是電壓Regulator種類非常豐富,設(shè)計者可以選擇的自由度較多,而且與電壓Regulator、LED的接點只有一點;反面缺點是Ballast造成的電力損失會導(dǎo)致效率惡化,此外LED的順向電流也無法獲得精密控制。
如圖4(a)所示隨機取樣六個白光LED的順向電流,從14.2mA到18.4mA分布范圍非常寬廣,因此A廠商的LED的(平均值)順向電流高達2.0mA比廠商A更高,藉此方式試圖使LED作高亮度發(fā)光;相較之下圖4(b)電路使用的Regulator,雖然具有小型、低成本等優(yōu)點,反面缺點是可能會有無法滿足性能與可靠性之虞,也就是說本電路的實用性相對的比較容易遭受質(zhì)疑。
b.使用定電流輸出的電壓Regulator驅(qū)動方式
圖3(b)的電路雖然可以使流入LED的所有電流穩(wěn)定化,不過為了匹配(matching)各LED的電氣特性,因此電路中特別設(shè)置一組Ballast電阻。
圖中的MAX1910屬于定電流輸出型的電壓Regulator,雖然本電路使用同廠商、同批號(lot)的白光LED,獲得極佳的匹配性,不過若使用不同廠商與批號的LED時,就會出現(xiàn)很大的特性差異分布。本電流Regulator使用類似圖3(a)的方式控制驅(qū)動電流,不過它卻可以使Ballast電阻的消費電力降低一半左右。
根據(jù)圖4(b)的測試結(jié)果顯示,流入六個隨機取樣白光LED的電流,從15.4mA到19.6mA變化范圍非常大,因此A廠商與B廠商兩者的LED是以平均17.5mA的電流驅(qū)動。本電路的缺點是Ballast電阻造成的電力損失有殘留之虞,而且又無法獲得LED電流的匹配性;不過整體而言本電路兼具動作特性與簡潔性,所以具有相當程度的實用價值?!?nbsp;
c.使用輸出型的Multi Pull電流Regulator驅(qū)動方式
圖3(c)的電路可以使流入LED的電流各自穩(wěn)定化,因此不需要使用Ballast電阻,電流的精度與匹配性Regulator,則由各自的電流Regulator支配。
圖中的MAX1570 IC可以使上述電流regulation達成2%標準的電流精度,與0.3%標準的電流匹配性等目標。
由MAX1570 IC構(gòu)成的電流Regulator為低drop out type,因此它的動作效率非常高。根據(jù)圖4(c)的測試結(jié)果顯示,使用圖3(c)的驅(qū)動電路時,流入六個隨機取樣白光LED穩(wěn)定化的電流為17.5mA。
雖然Regulator與LED之間需要四個連接端子,不過本電路不需要Ballast電阻,所以可以有效抑制封裝面積,因此非常適合應(yīng)用在封裝空間極為狹窄的小型液晶面板等領(lǐng)域,此外它的電路特性可以媲美接著要介紹的電路。
d.使用升壓型電流Regulator驅(qū)動方式
圖3(d)的電路是利用可以使電流穩(wěn)定化的電感(inductor),構(gòu)成所謂的高效率step up converter。本電路的最大特色是低feed back threshold電壓,可以降低電流檢測用電阻的電力損失,此外LED采用串聯(lián)方式連接,所以流入白光LED的電流即使是在各種要求下,都能夠與LED完全取得匹配。
有關(guān)電流的精度,基本上取決于Regulator的feed back threshold精度,因此不會受到LED順向電壓的影響。
由MAX1848與MAX1561 IC構(gòu)成的電流Regulator,它的效率(PLED/PIN)分別是:
三個LED+MAX1848----------87%
六個LED+MAX1561----------84%
step up converter的另一優(yōu)點是Regulator與LED之間需要二個連接端子,而且LED的使用數(shù)量不會受到step up converter種類的影響,這意味著設(shè)計者擁有更大的選擇空間,因此step up converter廣泛應(yīng)用在各種尺寸液晶面板;電感外形高度、組件成本偏高,以及EMI輻射干擾則是電路的反面缺點。
結(jié)語
以上介紹白光LED常用的驅(qū)動電路,并透過實驗方式深入探討各電路實際動作時的優(yōu)特性。由于LED的結(jié)構(gòu)限制,因此會有波長與驅(qū)動電流精度不易控制等困擾,隨著白光LED背光模塊應(yīng)用的需求不斷增加,如何改善上述波長與電流精度問題,同時降低驅(qū)動電路的制作成本,成為相關(guān)業(yè)者必需克服的課題。
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