前言
具备小型、长寿、低消费电力特征的LED，成为次世代光源之后开始应用在各种领域。最近几年随着LED性能的提升，发光效率超过10W／lm，消费电力超过5W的LED已经商品化，利用LED替代传统光源的趋势越来越明显。
备受期待的LED，为获得均匀发光特性，会使用非常复杂的控制技术，其结果反而造成电力增大等困扰。LED若要发挥最大特性，如何充分掌握LED的特性，并选择适当的驱动电路，便显得非常重要。
LED的驱动方法
LED（Light Emitting Diode）属于二极管电子组件，必需施加最低电压的值阀值电压，才能获得驱动所需要的电流，这个电压就是顺电压VF，一般白光LED的顺电压大约是3～4V。
因为制作时的分布不均，顺电压VF使用温度的变化不断改变，因此LED不容易以定电压驱动，如(图一)所示。(图二)则显示施加电压一旦超过顺电压VF，LED电流就会急遽增加。
流入LED的最大电流取决于LED种类，最大电流一旦超过额定值时，可能会引发LED破损及寿命降低等问题，因此LED的驱动电路，必需控制在额定电流范围内，以定电流控制LED ON／OFF动作。
| 《图一 白光LED NJSW036A的周围温度与顺电压特性》 |
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| 《图二 白光LED NJSW036A的顺电压／顺电流特性》 |
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LED发光时的光量会随着输入电流值变化。(图三)是LED的顺电流与相对光束特性的范例，如图所示，电流增加光量也随着提高，不过两者未必成比例关系。此外LED的顺电流改变，频谱也会随着变化，如(图四)所示。
| 《图三 白光LED NJSW036A的顺电流与相对光束特性》 |
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| 《图四 白光LED NJSW036A的顺电流与色度特性》 |
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白光LED大多利用芯片产生蓝光，再与包覆芯片的荧光体产生的黄光混色取得白光。此时若改变电流值，混色平衡也会跟着变化，若与单色LED比较，它的色变化相当明显，业者多利用电流的光量调整方法，比较适合应用在要求发光色维持一定的用途。
PWM（Pulse Width Modulation）的调光技术，是维持一定发光色的常用方法，PWM利用人眼无法识别高速周期性改变亮度的错觉特性，使LED的周期性高速与PWM信号同步点灯或熄灯。
此时点灯或熄灯的时间比率（duty cycle；亦即工作周期），决定观视者识认的亮度，工作周期越大，观视者感受越明亮。由于此时以点灯时序（timing）输入至LED的电流为一定值，因此光色不会受到亮度改变。
一般照明应用的场合，PWM的调光频率大约是200MHz，特殊应用时必需考虑LED的反应特性，选择PWM的调光频率。
LED驱动电路
LED属于电流驱动发光的半导体组件，驱动上要求适当的电源。LED点灯时依照各LED施加顺电压VF，然而大部份的电源电压未必与LED的顺电压VF一致。
此外为取得安全而稳定的发光，通常都使用定电流电路，使输入LED的电流维持一定。此外支持PWM方式的调光模式，要求定电流电路具备接收外部信号高速ON／OFF电流的功能。
理想型LED驱动电路
(图五)是理想性LED驱动电路，如图所示?的电压转换电路，会将电源提供的电压转换成LED要求的顺电压VF，?的定电流源接受外部的PWM信号，使输入LED的电流高速ON／OFF。
LED驱动电路主要功能是使LED点灯，理论上施加的电力，应该会全部被LED消费，不过实际上并不可能，因此必需极力削减LED以外的电力损失。
为获得高电力效率，LED驱动电路大多使用切换型转换器（Switching Regulator），利用线圈进行能量传递，可以产生压倒性高效率的电压转换，某些转换器的转换效率高达95％，相较之下传统线性转换器的消费电力，会随着电压下降呈比例增加。
降压型转换器LED驱动电路
(图六)是降压型切换转换器构成的LED驱动电路，如图所示，LED设置在线圈输入端与电压回馈FB端子（feedback）之间，控制回馈端子电压则维持在0.8V，由于该端子的输入阻抗（impedance）非常高，因此流入端子的电流几乎是0A。
输入LED的电流IF使用设于FB端子与GND之间的电阻器R1 （以IF=0.8／R1表示），线圈L1提供电流给LED。线圈L1与电阻器R1构成定电流源，输出的电压Vout会随着LED的顺电压VF自动调整。
图六的降压型LED驱动电路具备EN端子，EN端子利用外部信号使输出关闭，当EN端子变成Low时，输出会关闭，输入LED的电流变成0A。PWM信号输入至EN端子，当LED变成High时，LED会点灯并作PWM调光。
| 《图六 降压型切换转换器构成的LED驱动电路》 - BigPic:566x268 |
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LED驱动电路稳定动作上必需使用输出电容器Cout，然而LED电流ON／OFF时间受到电容器充放电时间，与转换器反应特性限制，如(图七)所示。事实上类似(图八)的PWM调光工作周期（亦即调整亮度宽度）同样受到一定的限制，当工作周期变大时，LED的反应就无法跟上，例如(图九)LED未完全OFF时的波形就是最好的典型范例。
| 《图七 LED的波形（ch1：2／div；ch4：50mA／div）》 |
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| 《图九 工作周期变大（95％），LED未完全OFF的波形（ch1：2V／div；ch4：50mA／div）》 |
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LED驱动电路使用切换型转换器的另一项优点，是可以构成升压电路，即使类似电池驱动机器等低电源电压系统，使用升压电路时，只要将复数LED串联连接，就可以同时点灯。
升压型转换器LED驱动电路
(图十)是升压型切换转换器构成的LED驱动电路，图中的FB端子电压控制在1.23V，输入LED的电流IF，可用IF=1.23／R1计算式求得，式中的R1表示电阻器。
这个升压型LED驱动电路内建输出耐压为22V的MOSFET，可以驱动最多5个串联连接，VF＝4V的白光LED，输入电流随着升压比改变，升压比越大输入电流越少，以6V的电源电压驱动5个串联连接，VF＝4V的白光LED时，输入LED的电流最大值大约是350mA。
理论上使用切换型转换器可以构成接近理想的LED驱动电路，然而实际上大部份的切换型转换器并不是针对LED驱动设计，因此PWM调旋光性能受到一定限制。
此外LED以外的的消费电力非常高，这意味着切换型转换器性能上有许多改善空间，因此最近几年半导体厂商发表许多LED驱动性能优化的LED驱动专用IC，例如一些降压型LED驱动IC，能够提供LED最大0.5A／1A的电流，非常适合驱动复数大电流LED应用。
另一种降压型转换LED驱动电路
(图十一)是另一种降压型切换转换器构成的LED驱动电路，它与图六的LED驱动电路非常类似，主要差异是前者未使用输出电容器。
这型驱动电路采用固定导通时间COT（Constant On Time）控制方式，因此稳定动作不需使用输出电容器与位相补偿组件。这款驱动电路CF端子的电压大约是200mV，可以削减LED以外的的消费电力。虽然这款LED驱动电路动作频率属于固定式，不过使用只要连接电阻器RON就可以透过LED改变。
| 《图十一 另一款降压型切换转换器构成的LED驱动电路》 |
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(图十二)是流入LED的电流与CS端子电压的波形，由图可知输入LED的电流波形与线圈的电流波形相同都是三角波。
转换器的切换频率非常快，人眼无法识别该电流变动造成的亮度变化，三角波的振幅，由转换器的切换频率与线圈值决定，相同频率时线圈值越小、振幅越大。如果容许大振幅就可以使用小线圈，相对地电路面积也会跟着变小，反面缺点是LED的发热会变大，必需透过动作频率与线圈值的设定，使三角波的振幅收敛在平均电流值的5～20％范围内。
这款降压型LED驱动电路会将PWM信号输入至DIM端子进行调光，不需使用输出电容器，具备高速输出反应特性，若与一般转换器比较，它能够实现高速大动态范围的PWM调光，调光比为10：1，调光频率大约是30kHz。
| 《图十二 LED电流与CS端子电压的波形（ch1：200mV／div；ch4：200mA／div）》 |
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反应特性与比较测试
(图十三)是上述两款降压型LED驱动转换器的反应特性比较结果，由右图可知这款驱动电路可作高速切换，速度适合大部份用途，要求高速调光时可将N信道MOSFET与LED串联连接，如(图十四)所示，接着再将PWM信号输入该汇流匣，就能够支持超高速调光的要求。
| 《图十三 降压型LED转换器驱动电路的反应特性比较示意图（ch1：2V／div）》 |
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| 《图十四 与LED并联连接的N信道MOSFET示意图》 |
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(图十五)是使用上述电路时，PWM信号对LED电流反应特性的测试结果，若与使用DIM端子的电路比较，它可以获得非常高速的反应特性。
上述方法可以实现10：1的调光比，与100kHz以上的动作频率，不过LED熄灯时电流会持续流入MOSFET，因此它的消费电力比使用DIM端子的电路大，虽然改用一般降压型转换器就可以改善上述问题，不过这种方式却不能使用升压型转换器。
| 《图十五 与MOSFET并联连接时的LED电流变化（ch1：500mV／div；ch4：2V／div）》 |
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复数小电流LED驱动模式
近几年消费电力超过3W的大电流LED已经商品化，其单体发光量比以往任何LED还大，然而大电流LED的发光效率却比小电流LED低，若要重视发光效率，必须使用复数小电流LED，才能获得必要的光量。
此外LED的指向性非常强，单一LED不易形成面光源，此时大多使用复数小电流LED，再将LED设置成格子状形成面光源。
复数LED同时点灯，LED的连接方法成为棘手问题，例如90个VF＝4V的白光LED串联连接点灯时，驱动上要求360V+α的电压。不过实际上高电压组件的种类相当有限，而且成本有暴涨之虞。工程师在设计上可以15个LED先作串联连接，接着作6并列排列串并联方式连接，由于LED的串联数为15个，因此驱动上只需60V+α。
这里须注意的是，LED并联驱动时，列与列之间的顺电流IF与顺电压VF的分布不均，会造成光量分布不均，并使LED故障时的对策比串联驱动结构更为复杂等困扰。
模式说明
以下所介绍的LED驱动电路，同时具备复数LED点灯等众多功能。(图十六)是升压型切换转换器与LED驱动用电流源IC构成的升压型多灯LED驱动电路，本电路可以同时驱动100个以上VF＝4V的白光LED。
升压型切换转换器输入电压范围为6～40V，最大输出电压为80V。LED驱动用电流源IC具备6信道定电流输出，每个信道输出40mA的电流，LED驱动用电流源IC并内建PWM信号调光功能、LED故障时的保护功能以及检测信号输出功能，而且各信道的电流误差低于±３％。
上述两者使用专用端子连接，利用DHC（Direct Headroom Control）方式，使输出电压自动调整成LED驱动上要求的最适电压，如(图十七)所示。
| 《图十六 升压型切换转换器（LM3430）与LED驱动用电流源IC（LM3432）构成的升压型多灯LED驱动电路》 |
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| 《图十七 DHC（Direct Headroom Control）驱动电路示意图》 |
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LED的单体顺电压VF分布不均相当大，驱动各列LED的必要电压都不一样，DHC会将输出电压，当作顺电压VF的总和进行控制，使驱动最大列时必要的电压变成最小值。LED点灯状态下即使温度变化造成顺电压VF改变，该控制会使输出电压自动变成最适值，因此可以实现抑制消费电力的目的，如(图十八)所示。
| 《图十八 未使用DHC时的LED电力效率（6×8＝48个LED，各20mA驱动）》 |
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另外如(图十九)所示，这个LED驱动用电流源IC具备各40mA6信道定电流输出，未使用的信道若连接至GND就变成少列数使用；若整合复数输出还可以增加各列的最大电流，如(图二十)所示。
| 《图十九 多余信道连接至GND的Disable电路示意图》 |
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| 《图二十 整合复数列、提高LED电流的电路示意图》 |
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设计复数的LED驱动用电流源IC，连接到一个升压型切换转换器，可以同时驱动更多的LED。(图二十一)是使用复数LED驱动用电流源IC，增加LED同时点灯数量的电路范例，本电路最多可以同时驱动200个以上VF＝4V的白光LED。
图中点线围绕部份，是本电路对所有LED驱动用电流源IC发挥DHC功能的动作范围，输出电压可以驱动18列中，顺电压VF总和为最大的列，如此就可以使电压抑制在最小范围内。
| 《图二十一 使用复数LED驱动用电流源IC，增加LED同时点灯数的范例》 - BigPic:679x574 |
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小结
以上介绍LED的特性和最适当的驱动方法，以及LED专用IC构成的驱动电路。为获得均匀发光，驱动LED需使用控制非常复杂的技术，然而藉由选择适当的LED驱动IC，同样可以获得使用容易的驱动电路。下个月我们将接着要介绍高功率LED的驱动技术。
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