白光LED驅(qū)動(dòng)器-在串聯(lián)及并聯(lián)應(yīng)用之比較

1、 白光LED驅(qū)動(dòng)器在串聯(lián)及并聯(lián)應(yīng)用之比較 吳志鈺 內(nèi)容標(biāo)題導(dǎo)覽：白光LED之驅(qū)動(dòng)模式串聯(lián)模式電感式升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)器之動(dòng)作原理             亮度控制白光LED之效率比較結(jié)論在可攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用極為廣泛的白光LED，通常需要一組可將電池電壓升高的驅(qū)動(dòng)器才能運(yùn)作，目前市面上常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器大約可分為并聯(lián)式及串聯(lián)式兩種，本文將分析此兩種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并舉例說(shuō)明此兩種方式之解決方案，再進(jìn)一步針對(duì)調(diào)光方法做介紹。近幾年行動(dòng)電話（Cellular phone）、PDA（Pers

2、onal Digital Assistant）、數(shù)字相機(jī)（Digital Still Camera）等攜帶式產(chǎn)品的屏幕都已彩色化，并且能進(jìn)行更生動(dòng)的顯示方式。猶記得前幾年筆者就學(xué)時(shí)期，電視還在廣告一款手機(jī)可由來(lái)電顯示的顏色分辨是不是情人來(lái)電，當(dāng)時(shí)如果同學(xué)間能有一款像這樣的手機(jī)，便已是大家矚目的焦點(diǎn)，沒(méi)想到才過(guò)短短兩三年，手機(jī)屏幕不只能以彩色動(dòng)畫(huà)方式顯示、可在上面玩游戲，還可將手機(jī)及數(shù)字相機(jī)結(jié)合、利用手機(jī)來(lái)照相，實(shí)在無(wú)法不令人贊嘆科技發(fā)展之迅速。這些屏幕之所以能有如此迅速的發(fā)展，全需歸功于白光LED背光模塊的出現(xiàn)，而白光LED也逐漸成為這些電池驅(qū)動(dòng)的攜帶式產(chǎn)品不可或缺的零件，但以手機(jī)而言，單純一

3、顆鋰離子電池的電壓（3.0V4.2V）并無(wú)法供給需有3.6V順向電壓的白光LED，因此我們需要一組可以將電池電壓升壓并使其順利推動(dòng)白光LED的驅(qū)動(dòng)器。目前市面上常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器大約可分為并聯(lián)式及串聯(lián)式兩種，本篇文章即是分析此兩種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并舉例說(shuō)明此兩種方式之解決方案，再進(jìn)一步針對(duì)調(diào)光方法做介紹。白光LED之驅(qū)動(dòng)模式并聯(lián)模式充電泵轉(zhuǎn)換器(圖一)為并聯(lián)模式的解決方案，AIC1845是一個(gè)充電泵轉(zhuǎn)換器，它可以提供一定電壓給白光LED而不需考慮其順向電壓。這種方式有幾個(gè)特性：首先，只需三個(gè)電容就可以從2.7V5.0V 的輸入電壓得到穩(wěn)定的5V輸出電壓，完全不需電感，所占的體積也很小，適合使用于輕

4、薄短小的手機(jī)；另外，由于他不需使用電感的關(guān)系，也就沒(méi)有一般轉(zhuǎn)換器最頭痛的線圈噪聲問(wèn)題。對(duì)手機(jī)而言，最怕的電磁干擾問(wèn)題也就不存在了。圖一白光LED驅(qū)動(dòng)器之并聯(lián)模式然而這種方式也有幾個(gè)缺點(diǎn)：第一，雖然它可以提供一個(gè)比其順向電壓大的定電壓給白光LED以順利驅(qū)動(dòng)，但對(duì)白光LED而言，其出廠時(shí)之順向電壓多少會(huì)有差異，而這些差異也造成了白光LED亮度不一的情形。第二，由于充電泵轉(zhuǎn)換器的動(dòng)作特性，其輸出電壓會(huì)是輸入電壓的兩倍；也就是說(shuō)對(duì)單顆鋰離子電池而言，假設(shè)其最高電壓為4.2V，若使用充電泵轉(zhuǎn)換器且在沒(méi)有穩(wěn)壓的情形下，其輸出電壓應(yīng)為8.4V，而為了要得到穩(wěn)定的5V輸出電壓，需將這些多出來(lái)的電壓犧牲掉，這些

5、被犧牲掉的電壓也就造成此種模式輸入電壓越高，效率越低的主要原因。串聯(lián)模式電感式升壓轉(zhuǎn)換器(圖二)為串聯(lián)驅(qū)動(dòng)器之解決方案，它可以提供一個(gè)定電流給LED，如同一般的升壓轉(zhuǎn)換器，它需要一個(gè)電感及整流器以達(dá)到升壓效果。這種方法幾個(gè)特性：首先，由于LED是以串聯(lián)的形式接成的，對(duì) LED而言所流過(guò)的電流都一樣，因此LED的亮度也會(huì)相同；第二，由于升壓型轉(zhuǎn)換器在其最大責(zé)任周期內(nèi)可以有適當(dāng)?shù)纳龎罕?，他可以提供一個(gè)足夠大的電壓以驅(qū)動(dòng)LED，因此藉由這種方式來(lái)驅(qū)動(dòng)的LED可以有較高的效率。和并聯(lián)模式一樣，串聯(lián)模式也有其缺點(diǎn)。由于這種模式需要電感及其它外部組件方能達(dá)到升壓穩(wěn)壓的效果，需要的組件比較多，對(duì)小型攜帶式產(chǎn)

6、品而言所占用的體積太大了。圖二白光LED驅(qū)動(dòng)器之串聯(lián)模式驅(qū)動(dòng)器之動(dòng)作原理充電泵AIC1845AIC1845是一個(gè)充電泵轉(zhuǎn)換器，它可以將2.7V5.0V的輸入電壓升壓，并提供一個(gè)穩(wěn)定的5V輸出電壓。(圖三)為其內(nèi)部構(gòu)造的示意圖，其內(nèi)部主要是由兩組共4個(gè)開(kāi)關(guān)所構(gòu)成，當(dāng)回饋電壓（VFB）高于參考電壓（VREF）時(shí)，控制器將開(kāi)關(guān)1關(guān)閉，并將開(kāi)關(guān)2打開(kāi)，此時(shí)輸入電壓對(duì)CFLY充電至VIN，而負(fù)載所需之能量由輸出電容COUT來(lái)提供；當(dāng)輸出電容的能量逐漸消耗，輸出電壓也隨之下降。當(dāng)VFB低于VREF時(shí)，控制器將開(kāi)關(guān)1打開(kāi)并將開(kāi)關(guān)2關(guān)閉，此時(shí)輸入電壓會(huì)透過(guò)CFLY對(duì)COUT充電；在前一階段跨在CFLY兩段的電

7、壓等于輸入電壓，因此在這一個(gè)階段COUT會(huì)儲(chǔ)存相當(dāng)于兩倍的輸入電壓，內(nèi)部的兩個(gè)分壓電阻會(huì)將輸出電壓穩(wěn)在5 V。(圖四)為充電泵的等效電路圖。圖三AIC1845內(nèi)部構(gòu)造圖圖四充電泵之等效電路圖電感式升壓轉(zhuǎn)換器AIC1896AIC1896是一個(gè)脈沖寬度調(diào)變（Pulse-Width-Modulation；PWM）控制之升壓型轉(zhuǎn)換器，它可以提供一個(gè)定電流以驅(qū)動(dòng)白光LED。(圖五A)為升壓轉(zhuǎn)換器之等效電路圖，當(dāng)開(kāi)關(guān)SW關(guān)閉時(shí)，電感L開(kāi)始儲(chǔ)存能量，此時(shí)負(fù)載端需求的能量是由輸出電容所提供的，其等效電路如(圖五B)所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)SW打開(kāi)時(shí)，原本儲(chǔ)存在電感里的能量會(huì)連同輸入電壓的能量一同對(duì)輸出電容充電，其等效電路

8、如(圖五C)所示。圖五升壓轉(zhuǎn)換器之等效電路(圖六)為AIC1896的內(nèi)部構(gòu)造示意圖，PWM是其主要的控制模式。(圖七A)描述PWM的控制方式，控制訊號(hào)VC是回饋電壓（VFB）和參考電壓（VREF）的比較結(jié)果，而VC會(huì)再與1.4MHz的連續(xù)三角波（VST）做比較，如果VC比VST大則切換訊號(hào)為High，反之為L(zhǎng)ow，再用此切換訊號(hào)來(lái)控制內(nèi)部N-MOSFET的ON/OFF。(圖七B)為PWM控制的切換波形。圖六AIC1896內(nèi)部構(gòu)造圖圖七A PWM控制示意圖圖七B PWM控制之切換波形圖二為白光LED之串聯(lián)解決方案，流過(guò)LED的電流（ILED）可以由下式求得：ILED=VFB/RI-（公式一）其中

9、VFB為AIC1896之參考電壓，其值為1.23V。而其輸出電壓可以由下式求得：VOUT=VLED+VFB-（公式二）其中VLED代表所有白光LED的順向電壓降。要注意的是，如果LED空接或有壞掉的LED存在的話，回饋電壓會(huì)變成0V。此時(shí)IC的責(zé)任周期全開(kāi)，其輸出電壓有機(jī)會(huì)上升到AIC1896之最大耐壓而對(duì)IC造成損害，因此我們需要一個(gè)Zener二極管以避免這種情形的發(fā)生。此Zener二極管的額定電壓可選擇約等于IC之最大耐壓。另外，為了怕流過(guò)Zener二極管的電流太大會(huì)對(duì)其產(chǎn)生損害，我們需要一個(gè)電阻R2來(lái)限制流過(guò)二極管的電流，且讓此電流大于Zener二極管的崩潰電流。亮度控制之前已略為提過(guò)流

10、過(guò)LED的電流大小會(huì)影響其亮度，因此我們可以利用這個(gè)原理來(lái)達(dá)成LED的亮度控制。以下將敘述幾個(gè)應(yīng)用在并聯(lián)及串聯(lián)白光LED驅(qū)動(dòng)器上的亮度控制。充電泵轉(zhuǎn)換器AIC1845如(圖八)所示，在并聯(lián)LED的應(yīng)用上，我們可以將一個(gè)頻率為50Hz100Hz的PWM訊號(hào)接至AIC1845的 pin上，利用調(diào)整其責(zé)任周期來(lái)達(dá)到亮度控制的目的。當(dāng)PWM訊號(hào)為High，則IC動(dòng)作，連帶會(huì)有電流流過(guò)LED，反之則不會(huì)。如果將PWM的責(zé)任周期調(diào)至100，則LED的亮度最大如果調(diào)小，則亮度減弱。圖八并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器之亮度控制電感式升壓轉(zhuǎn)換器AIC1896在串聯(lián)LED的應(yīng)用上，其亮度控制有較多的選擇：使用PWM訊號(hào)和并聯(lián)LED驅(qū)

11、動(dòng)器一樣，我們可以將一個(gè)頻率為1kHz10kHz的PWM訊號(hào)接至AIC1896的 pin上，或透過(guò)一個(gè)電阻接至FB pin上。如果使用前一個(gè)方法，如(圖九A)所示，則增加責(zé)任周期即是增加其亮度。如果使用第二個(gè)方法，如(圖九B)所示，責(zé)任周期的增加反而會(huì)減少其亮度。圖九藉由PWM訊號(hào)來(lái)做亮度控制使用一組直流電壓另外我們可以藉由在FB pin加一組直流電壓來(lái)影響跨在R1上面的電壓，進(jìn)而改變流過(guò)LED的電流。如(圖十)所示，當(dāng)R3的電壓降增加的時(shí)候，在R1兩端的電壓降就會(huì)減少，進(jìn)而減少流過(guò)LED的電流（ILED）。在決定R2和R3的電阻值的時(shí)候，要注意的是必須使從電壓源VDC流出的電流遠(yuǎn)小于流過(guò)LE

12、D的電流，但遠(yuǎn)大于FB pin 的偏壓電流（Ibias）。圖十藉由一組直流電壓來(lái)做亮度控制使用一組濾波后的PWM訊號(hào)一組濾波后的PWM訊號(hào)也可以用來(lái)控制亮度，它可以用來(lái)替代圖十中的VDC。當(dāng)PWM的責(zé)任周期增加，就等于VDC的電壓增加進(jìn)而降低LED的亮度。(圖十一)為其接線圖。圖十一藉由一組濾波后的PWM訊號(hào)來(lái)做亮度控制白光LED之效率比較如同我們之前提過(guò)的，如果充電泵轉(zhuǎn)換器的輸出電壓沒(méi)有穩(wěn)壓的話，其輸出電壓會(huì)是輸入電壓的兩倍，因此我們也可以假設(shè)其輸入電流是輸出電流的兩倍，如果這個(gè)關(guān)系式成立的話，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器之LED效率可以定義成：-(公式三)其中hLED,series 為并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器中LED的效

13、率，PLED,parallel是其損耗功率，VLED為其順向壓降，而ILED為流過(guò)LED的電流。同樣地，在串聯(lián)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，其LED的效率可以定義成：-(公式四)將(公式一)和(公式二)代入(公式四)，則：-(公式五)其中hLED,series為串聯(lián)驅(qū)動(dòng)器中LED的效率，而代表串聯(lián)驅(qū)動(dòng)器的效率。接下來(lái)讓我們舉個(gè)例子來(lái)比較在并聯(lián)及串聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器中效率的差別。假設(shè)要用3.6V的輸入電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)4顆LED，每顆LED的順向電壓為3.6V，順向電流為20mA。如圖一所示，在并聯(lián)LED的應(yīng)用中，LED的效率如下式所示：如圖二所示，在串聯(lián)LED的應(yīng)用中，其輸出電壓為：VOUT=VLED+VFB=(3.6x4)+1.23=15.63V假設(shè)其整體應(yīng)用線路的效率為80，則LED的效率可以利用(公式五)計(jì)算得到：依實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同輸入電壓時(shí)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)器的效率比并聯(lián)高大約1027。結(jié)論我們觀察到在并聯(lián)LED的應(yīng)用中，輸入電壓越高則其效率越低