白色发光二极管及其驱动电路

1前言

近几年，业界开始大量采用LED替代CCFL和EL作为LCD的背光(背景光照明的简称)，与CCFL、EL相比．LED具有如下优点：1)可使LCD色彩更逼真，采用LED背光町提供130％的NTSC色阶，而CCFL仅为70％。色阶的扩充使LCD影像色度更饱和、更逼真；可使LCD厚度更薄，在18英寸LCD模块中，LED背光厚度为4mm～6mm，CCFL为8mm～12nm；3)寿命长，可达5万小时；4）符合环保要求，LED不含汞，5）与EL背光相比，LED背光不会产生于扰。因此，LED背光广泛用于PC、TV、汽车音响、手机、通信设备、个人数字助理(PDA)和手表等领域，它已成为LCD背光市场的主导产品，2002年LED的市场需求量占背光市场总需求量的60％左右，目前，有绿、红、蓝和白色LED作为LCD的背光，由于价格因素，绿色LED居主流，约占LED背光产品的80％，它们的额定电流为2mA～20mA，亮度为600mcd。由于白色LED的成本较高，目前主要用于彩屏手机和彩屏PDA的背光以及汽车仪表的照明。

2 白色LED的发光机理及特性

2．1 发光机理

单芯片白色LED是一种含InGaN活性层的CaN发光二极管，它主要有两种发光机理：一种是结合蓝色LED和黄磷，通过蓝光和磷发射的黄光的混合产生白光；另一种是通过紫外光LED和红、蓝、绿磷的组合产生白光。

2．2 特性

白色LED的主要特性有：正向压降为3．5 V；发光效率大于20lm／W，优于白炽灯泡，次于荧光灯(601m／W～100lm／W)，2004年，发光效率可提高到60lm／w，接近荧光灯水平，从而可大量用于照明市场；光通量为231m；封装尺寸小。Nichia公司于2003年推出SMD型白色LED，型号为NSCW215，它是一种侧视SMD型白色LED，高度为0．8/1mm，电流为20mA时，亮度达600mcd。Toyoda Gosei公司推出SMD型白色LED，尺寸为3．2 mm×2．8 mm，型号为TG white，电流为20mA时，亮度达100mcd，发光效率为4．5 lm／W～5 lmW。citizen公司采用Nichia公司的白色LED裸片开发出迄今为止世界上的白色LED，其厚度为0．55 mm。Nichia公司的非SMD型白色LED的尺寸为11．2mm(宽)×7．2mm(长)×6mm(高)，寿命长，达5万小时以上。白色LED在照明市场上的应用前景诱人，为此，世界各国LED厂商加紧开发大功率白色LED，如Nichia公司开发出大功率InGaN LED，功率达1 W～2 W，是现有LED的10倍。美国加州大学固态发光及显示中心计划在2007年前开发出发光效率为200lm／W的白色LED。

3 白色LED驱动电路

目前，白色LED主要用于彩屏手机和彩屏PDA，一个彩屏LCD的均匀背光需要3个～4个或更多的白色LED，智能手机可能需要6个或更多的白色LED。由于白色LED需求的增多。有力地推动了白色LED驱动器市场的增长。据Linear公司电源事业部产品营销经理Tony Armstrong估计："2003年手机出货量将超过4亿部。其中至少有60％～70％是彩屏手机，此外。还将有1 000部彩屏PDA，市场将有几亿块白色LED驱动器的需求"，由于白色LED的正向压降为3．5 V，当单节锂电池相近，因此，需要一个升压转换器来解决白色LED的正向电压问题。目前，升压有两种解决方案：一是电荷泵方式(开关电容器)，其优点是占用面积小，但效率低，国家半导体公司推出的白色LED驱动器采用这种开关电容，该公司认为，如果采用升压转换器，当驱动器处于断电状态时就会有漏电流；二是电感开关升压方式，其优点是效率高，但占用面积大。目前，大多数白色LED驱动器厂商都采用电感开关升压方式，如Catalyst公司的CAT32型白色LED驱动器，它工作在1．2MHz的固定频率上，它可增强低电压电池的电压，并自动调整驱动电流，多可支持4个串联在一起的白色LED。该公司正在开发比CAT32更先进的白色LED驱动器，它可通过MPU对电流进行控制，并集成了无源元件，从而节约了成本。Linear公司推出片上集成肖特基二极管的白色LED驱动器，这样，驱动电路只需两个外部电容器、一个电阻器和一个电感器。而一般白色LED驱动器是集成MOSFET。

白色LED驱动电路由白色LED驱动器和外围电路(包含晶体管、二极管、电感器、电容器和电阻器等)组成。驱动白色LED需要一个恒流源，电流一般为15mA～20mA。LED的亮度依赖于其正向电流，所以多个白色LED串联使用，可保证流过每个白色LED的电流都相同。正向编置的4个串联白色LED需14V电压，该电压通过升压稳压器来提升单节锂电池(2．7V～4．2V)故称工作电压来获得。图1给出一种单节锂电池(2．7V～4．2V)供电的高效率白色LED驱动电路。图1中的SP6682是一块标准的稳压充电泵电路。它含有一个内部500kHz振荡器，用以正常驱动充电泵电容器?使输人电压提高一倍。图1中的电路不采用电荷泵电容器，而将振荡器的输出加到引脚7上．并驱动Q1的导通和截止。Ql、L1、D1和C1构成一个升压稳压器，使C1两端的电压升高。当该电压超过4个串联的白色LED的正向压降之和时，电流开始启动。白色LED与电流检测电阻器R1串联，形成反馈回路闭合。要使R1两端的压降为，就可获得高效率。将R1两端的电压与SP6682的0．3V参数电压比较，可使该驱动电路的效率达87%。通常，市售的集成升压稳压器以1．24V带隙电压作为反馈参考电压，将使Rl两端产生1．24V的压降。从而使转换效率降低7％。SP6682的0．3V参考电压远低于1．24V，而效率的降低与参考电压成正比。MOSFET具有很小的导通电阻和很高的开关速度，这些参数优于其他集成开关。MOSFET的击穿电压会限制输出电压，通过调节该电压以驱动所需几个白色LED的系统。在SP6682的启动引脚6上加一个PWM信号，可使稳压器关闭和重新启动，以地控制白色LED的亮度。

双节锂电池(6V～8．4V)供电的白色LED驱动电路应当选择的白色LED驱动器，如图2所示。TI公司的TPS61042就是一块适合双节锂电池供电的白色LED驱动器，但TPS61042的输入电压仅为1．8V～6 V，只要巧妙地将TPS61042的输入电压与功率级分开，就能使TPS61042驱动白色LED。将系统3．3V电压接到驱动器的引脚VIN上，驱动器的功率级输入直接连接到双节锂电池上。通常，功率级可连接到低于可需输出电压的任何电压输出端。由于升压拓扑，功率级的输入电压必须低于输出电压，或者电感器和二极管直接将输入电压传送到输出端。引脚SW上的允许电压为28 V，限制了功率级的输入电压。图2的驱动电路表明，输入电压越高，效率也越高。所以，该驱动电路完全不受其输入电压范围的限制，并能有效地节约系统成本和板极空间，还提高了效率。

对于单节1．5 V电池如何选择白色LED驱动电路。图3回答了这个问题。图3中的比为TI公司的SN74AUClGl4或Fairchild公司的NC7SPl4单栅施密特倒相器。在图3(a)中，接通电池电源时，肖特基二极管D1导通，施密特触发器非稳态多频振荡器开始振荡，当IC1的输出变为高电位时，晶体管Q1导通，电感器L1中的电流开始增大。当施密特触发器输出高电平脉冲结束时，倒相器输出为低电位，Q1截止，L1两端的电压极性反转。由此产生的"逆转"电压立即使Q1的集电极电压升高到超过电池电压，并使串联的白色LED和D2处于正向偏置。只要施密特触发器输出高电平脉冲持续3μs，就可导致大约65 mA的峰值电感器电流，并使白色LED产生极高亮度的白光。即使电池电压小到500mV，相应的33 mA峰值电流仍可使白色LED发出足够亮的白光。如果图3(a)中的D1被PNP晶体管Q2替代，可进一步降低启动电压电平，见图3(b)所示。在室温下，这种测试电路仅需650mV的电压就可启动。图3中的白色LED如采用LVmi Ltds公司的Luxeon系列白色LED，其发光亮度较强。如果将L1电感值降到10 μH，电池电压为1 V条件下，图3(b)在Luxeon LXHL-PW01型白色LED中产生220 mA峰值电流，光强度非常大。

由此可见，对于不同尺寸的LCD和不同电池的电压应采取不同的白色LED驱动电路。