各種白光LED驅動電路特性評比

　　1996年日亞化學的中村氏發(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，因此有關白光LED的性能改善與商品化應用，立即成為各國研究的焦點。目前白光LED已經分別應用在公共場所步道燈、汽車照明、交通號志、可攜式電子產品、液晶顯示器等領域。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專用驅動電路與相關組件，有鑒于此本文接著要探討各種白光LED專用驅動電路的特性，與今后的發(fā)展動向。

    定電流驅動的理由 

    白光LED使用電流驅動的理由主要兩項，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果。根據檢測結果顯示若利用3.4V順向電壓驅動上述六種白光LED時，順向電壓會在10mA～44mA范圍內大幅變動。

    由于白光LED的光度與色度是以定電流方式量測，為獲得預期的亮度與色度，所以通常是用定電流驅動。
　
　　2.日亞NSCW455白光LED的電氣特性是以Iv=20mA 條件測試時可以預估光度與色度，因此建議以定電流方式驅動。

    (a)白光LED的電氣與光學特性(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

    2.避免順向電流超越容許電流值

    有關白光LED的可靠性，基本上就是需設法避免順向電流超過白光LED的絕對最大設計值(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的驅動方法

    圖3是驅動白光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。根據圖4的測試結果顯示，Regulator的負載特性出現在白光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疑。

    b.使用定電流輸出的電壓Regulator驅動方式

    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。

    根據圖4(b)的測試結果顯示，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。　 

    c.使用輸出型的Multi Pull電流Regulator驅動方式

    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構成的電流Regulator為低drop out type，因此它的動作效率非常高。根據圖4(c)的測試結果顯示，使用圖3(c)的驅動電路時，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，因此非常適合應用在封裝空間極為狹窄的小型液晶面板等領域，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的使用數量不會受到step up converter種類的影響，這意味著設計者擁有更大的選擇空間，因此step up converter廣泛應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。

    結語

    以上介紹白光LED常用的驅動電路，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的結構限制，因此會有波長與驅動電流精度不易控制等困擾，隨著白光LED背光模塊應用的需求不斷增加，如何改善上述波長與電流精度問題，同時降低驅動電路的制作成本，成為相關業(yè)者必需克服的課題。