白色發光二極體及其驅動電路

白色發光二極體及其驅動電路
2002年LED的市場需求量占背光市場總需求量的60％左右，目前，有綠、紅、藍和白色LED作為LCD的背光，由於價格因素，綠色LED居主流，約佔LED背光產品的80％。它們的額定電流為2mA～20mA，亮度為600mcd。由於白色LED的成本較高，目前主要用於彩屏手機和彩屏PDA的背光以及汽車儀錶的照明。2 白色LED的發光機理及特性2.1 發光機理單晶元白色LED是一種含InGaN活性層的CAN發光二極體，它主要有兩種發光機理：一種是結合藍色LED和黃磷，通過藍光和磷發射的黃光的混合產生白光；另一種是通過紫外光LED和紅、藍、綠磷的組合產生白光。2.2 特性白色LED的主要特性有：正向壓降為3．5 V；發光效率大於20lm／W，優於白熾燈泡，次於熒光燈(601m／W～100lm／W)，2004年，發光效率可提高到60lm／w，接近熒光燈水平，從而可大量用於照明市場；光通量為231m；封裝尺寸小。NIChia公司於2003年推出SMD型白色LED，型號為NSCW215，它是一種側視SMD型白色LED，高度為0．8/1mm，電流為20mA時，亮度達600mcd。Toyoda Gosei公司推出SMD型白色LED，尺寸為3．2 mm×2．8 mm，型號為TG white，電流為20mA時，亮度達100mcd，發光效率為4．5 lm／W～5lmW。citizen公司採用Nichia公司的白色LED裸片開發出迄今為止世界上最小的白色LED，其厚度為0．55 mm。Nichia公司的非SMD型白色LED的尺寸為11．2mm(寬)×7．2mm(長)×6mm(高)，壽命長，達5萬小時以上。白色LED在照明市場上的應用前景誘人，為此，世界各國LED廠商加緊開發大功率白色LED，如Nichia公司開發出大功率InGaN LED，功率達1 W～2 W，是現有LED的10倍。美國加州大學固態發光及顯示中心計劃在2007年前開發出發光效率為200lm／W的白色LED。3 白色LED驅動電路目前，白色LED主要用於彩屏手機和彩屏PDA，一個彩屏LCD的均勻背光需要3個～4個或更多的白色LED，智能手機可能需要6個或更多的白色LED。由於白色LED需求的增多。有力地推動了白色LED驅動器市場的增長。據Linear公司電源事業部產品營銷經理Tony Armstrong估計："2003年手機出貨量將超過4億部。其中至少有60％～70％是彩屏手機，此外。還將有1 000部彩屏PDA，市場將有幾億塊白色LED驅動器的需求"，由於白色LED的正向壓降為3.5 V，當單節鋰電池相近，因此，需要一個升壓轉換器來解決白色LED的正向電壓問題。目前，升壓有兩種解決方案：一是電荷泵方式(開關電容器)，其優點是佔用面積小，但效率低，國家半導體公司推出的白色LED驅動器採用這種開關電容，該公司認為，如果採用升壓轉換器，當驅動器處於斷電狀態時就會有漏電流；二是電感開關升壓方式，其優點是效率高，但佔用面積大。目前，大多數白色LED驅動器廠商都採用電感開關升壓方式，如Catalyst公司的CAT32型白色LED驅動器，它工作在1．2MHz的固定頻率上，它可增強低電壓電池的電壓，並自動調整驅動電流，最多可支持4個串聯在一起的白色LED。該公司正在開發比CAT32更先進的白色LED驅動器，它可通過MPU對電流進行控制，並集成了無源元件，從而節約了成本。Linear公司推出片上集成肖特基二極體的白色LED驅動器，這樣，驅動電路只需兩個外部電容器、一個電阻器和一個電感器。而一般白色LED驅動器是集成MOSFET。白色LED驅動電路由白色LED驅動器和外圍電路(包含晶體管、二極體、電感器、電容器和電阻器等)組成。驅動白色LED需要一個恆流源，電流一般為15mA～20mA。LED的亮度依賴於其正向電流，所以多個白色LED串聯使用，可保證流過每個白色LED的電流都相同。正向編置的4個串聯白色LED需14V電壓，該電壓通過升壓穩壓器來提升單節鋰電池(2．7V～4．2V)故稱工作電壓來獲得。圖1給出一種單節鋰電池(2．7V～4．2V)供電的高效率白色LED驅動電路。圖1中的SP6682是一塊標準的穩壓充電泵電路。它含有一個內部500kHz振蕩器，用以正常驅動充電泵電容器?使輸人電壓提高一倍。圖1中的電路不採用電荷泵電容器，而將振蕩器的輸出加到引腳7上．並驅動Q1的導通和截止。Ql、L1、D1和C1構成一個升壓穩壓器，使C1兩端的電壓升高。當該電壓超過4個串聯的白色LED的正向壓降之和時，電流開始啟動。白色LED與電流檢測電阻器R1串聯，形成反饋迴路閉合。要使R1兩端的壓降為最小，就可獲得高效率。將R1兩端的電壓與SP6682的0．3V參數電壓比較，可使該驅動電路的效率達87%。通常，市售的集成升壓穩壓器以1．24V帶隙電壓作為反饋參考電壓，將使Rl兩端產生1．24V的壓降。從而使轉換效率降低7％。SP6682的0．3V參考電壓遠低於1．24V，而效率的降低與參考電壓成正比。MOSFET具有很小的導通電阻和很高的開關速度，這些參數優於其他集成開關。MOSFET的擊穿電壓會限制最大輸出電壓，通過調節該電壓以驅動所需幾個白色LED的系統。在SP6682的啟動引腳6上加一個PWM信號，可使穩壓器關閉和重新啟動，以精確地控制白色LED的亮度。

圖1 單節鋰電池供電的高效率白色LED驅動電路雙節鋰電池(6V～8．4V)供電的白色LED驅動電路應當選擇的白色LED驅動器，如圖2所示。TI公司的TPS61042就是一塊適合雙節鋰電池供電的白色LED驅動器，但TPS61042的輸入電壓僅為1．8V～6 V，只要巧妙地將TPS61042的輸入電壓與功率級分開，就能使TPS61042驅動白色LED。將系統3．3V電壓接到驅動器的引腳VIN上，驅動器的功率級輸入直接連接到雙節鋰電池上。通常，功率級可連接到低於可需輸出電壓的任何電壓輸出端。由於升壓拓撲，功率級的輸入電壓必須低於輸出電壓，或者電感器和二極體直接將輸入電壓傳送到輸出端。引腳SW上的允許最大電壓為28 V，限制了功率級的最大輸入電壓。圖2的驅動電路表明，輸入電壓越高，效率也越高。所以，該驅動電路完全不受其輸入電壓範圍的限制，並能有效地節約系統成本和板極空間，還提高了效率。

對於單節1.5V電池如何選擇白色LED驅動電路。圖3回答了這個問題。圖3中的比為TI公司的SN74AUClGl4或Fairchild公司的NC7SPl4單柵施密特倒相器。在圖3(a)中，接通電池電源時，肖特基二極體D1導通，施密特觸發器非穩態多頻振蕩器開始振蕩，當IC1的輸出變為高電位時，晶體管Q1導通，電感器L1中的電流開始增大。當施密特觸發器輸出高電平脈衝結束時，倒相器輸出為低電位，Q1截止，L1兩端的電壓極性反轉。由此產生的"逆轉"電壓立即使Q1的集電極電壓升高到超過電池電壓，並使串聯的白色LED和D2處於正向偏置。只要施密特觸發器輸出高電平脈衝持續3μs，就可導致大約65 mA的峰值電感器電流，並使白色LED產生極高亮度的白光。即使電池電壓小到500mV，相應的33 mA峰值電流仍可使白色LED發出足夠亮的白光。如果圖3(a)中的D1被PNP晶體管Q2替代，可進一步降低最小啟動電壓電平，見圖3(b)所示。在室溫下，這種測試電路僅需650mV的電壓就可啟動。圖3中的白色LED如採用LVmi Ltds公司的Luxeon系列白色LED，其發光亮度較強。如果將L1電感值降到10 μH，電池電壓為1 V條件下，圖3(b)在Luxeon LXHL-PW01型白色LED中產生220 mA峰值電流，光強度非常大。

由此可見，對於不同尺寸的LCD和不同電池的電壓應採取不同的白色LED驅動電路。