自从前些年白光LED诞生以来,白光 LED 的应用得到了稳步发展。与荧光灯相比具有使用简单、成本低的优势,与白炽灯相比可以提供更接近于白色的光,因此,其用量在最近几年呈现出稳步上升的趋势,在手持式产品中被广泛用作闪光灯、显示器背光等。当然,在实际应用中针对白光 LED 也存在一些有待解决的技术问题。
光发光二极管(LED)在各种照明设备中的应用正在稳步增长,如手持产品中的闪光灯、显示器背光等。与白炽灯相比,它们提供真正的白光、消耗更低的功耗。与荧光灯相比,它们更易于使用。批量使用时,白光 LED 的一致性较差,利用低成本的线性稳压器(LDO)可以改善其匹配度,即使在采用不同 LED 的情况下。
选用白光 LED 最明显的问题是产品的匹配性差,按照白光 LED 的典型规格,电流为 20mA 时正向电压的最小值为 3.0V、典型值为 3.5V、最大值为 4.0V。显然,稳压源不是合理的解决方案。利用相同的电流驱动每只 LED 可以获得均匀亮度,但成本很高。在许多应用中只是简单地用一个固定偏置电压和镇流电阻驱动 LED,如图 1。
图 1. 大多数应用只是简单地利用固定偏置电压(本范例中采用 5V)和镇流电阻(本范例中采用 75Ω),获得近似匹配的白光 LED 亮度。
按照图 1 设计电路通常可以得到相当好的亮度匹配。但对于大批量生产的用户,同一批次的产品具有相当一致的特征指标,但批次之间一致性较差。这就需要对每一批新的 LED 进行测试、为其配置镇流电阻。如果存在多个 LED 供货商问题将更加严重。为详细描述上述问题,我们选用了三个厂商的 LED (分别用 A、B、C 表示)按照图 1 所示电路作了以下测试:标号为 A 的 LED 选自一级白光 LED 供货商,标号为 B 的 LED 选自二级白光 LED 供货商,标号为 C 的 LED 是从电子配套市场购买的廉价 LED。测试结果如表 1。
表 1. 为了评估图 1 电路的生产能力,我们对三种不同厂商提供的白光 LED 进行了测试。从测试结果看,不同商标的 LED 一致性较差,比标准平均电流偏差 3.27mA。
从表 1 可以看出,同一厂商的 LED 匹配性较好,特别是来自规模较大的供货厂家的产品(A、B 两种 LED)。正如所预期的那样,来自供应商 C 的不同包装的 LED 一致性较差。三家厂商 LED 电流的平均均方误差为 0.54mA。
从表 1 的“平均值”列可以看出,不同厂商提供的 LED 一致性较差,A 厂商提供的 LED 吸取电流最大(平均 24.6mA),B 厂商提供的 LED 吸取电流最小(平均 18.3mA)。不同厂商的白光 LED 在采用相同偏置电压、相同的镇流电阻时电流差别较大,均方误差为 3.27mA。
单独调节每只 LED 的电流或至少对其中一只 LED 的电流进行调节可以提高不同厂商或同一厂商不同批次 LED 的一致性,但这需要相当昂贵的芯片。在对成本要求苛刻的产品中,可以利用低压差线性稳压器(LDO)改善 LED 的一致性,无需选择阻值不同的镇流电阻,具体电路如图 2 所示。图中 LDO 工作在稳压 - 稳流模式下,根据一只 LED 的正向电压的变化自动调节偏置电压。
图 2. 添加一片低成本的 LDO,得到可自动调节的偏置电压,有效改善不同批次、不同厂商白光 LED 的匹配度。
为考核图 2 电路性能,我们将上述 A、B、C 三种 LED 按照图 2 电路连接进行了测试,测试结果如表 2。从表 2 可以计算出:相同厂商 LED 电流的一致性略有下降(图 2 所得结果为 0.77mA,图 1 所得结果为 0.54mA),但不同厂商的 LED 电流的一致性得到了较大改善,均方误差由 3.27mA 降低至 0.96mA。
表 2. 为了评估图 2 电路的性能,我们对相同的三组白光 LED 进行了测试,从表 2 可以看出,不同厂商提供 LED 一致性得到了改善,由表 1 所示偏离标准值 3.27mA 降至 0.96mA。
图 2 电路需选择带有外部电压调节引脚的 LDO,如 MAX8863,其反馈门限为 1.25V (VSET)。选用 SOT23 封装的 LDO 可提高系统的性价比,因为多数 SOT23 封装的 LDO 带有关断控制,从而省去了图 1 电路中控制 LED 通 / 断或 PWM 亮度调节的 N 沟道 MOSFET。另外,LDO 还具有较宽的输入电压范围,当与其它电路共用同一 5V 电源时可以提供较高的电源抑制比(PSRR)此外,由厂商 A 提供的 LED 不会运行在“热”状态下,无需过多考虑散热问题。
图 3 电路是对图 2 电路的修正,每只 LED 的电流为 15mA,适合便携产品的背光源要求。MAX8863 可以驱动 8 只 LED,每只 LED 电流为 15mA。当 LED 正向电压较低、或镇流电阻的电流低于 15mA 时,所允许的输入电压更低。
图 3. MAX8863 LDO 可驱动 8 只 LED,每只 LED 电流为 15mA。对不同厂商、不同批次的 LED 可提供较好的亮度匹配。