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白光LED驅動器-在串聯及並聯應用之比較
 

【作者: 吳志鈺】   2003年06月05日 星期四

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近幾年行動電話(Cellular phone)、PDA(Personal Digital Assistant)、數位相機(Digital Still Camera)等攜帶式產品的螢幕都已彩色化,並且能進行更生動的顯示方式。猶記得前幾年,電視還在廣告一款手機可由來電顯示的顏色分辨是不是情人來電,當時如果有人能有一款像這樣的手機,便已是大家矚目的焦點,沒想到才過短短兩三年,手機螢幕不只能以彩色動畫方式顯示、可在上面玩遊戲,還可將手機及數位相機結合、利用手機來照相,實在無法不令人讚嘆科技發展之迅速。


這些螢幕之所以能有如此迅速的發展,全需歸功於白光LED背光模組的出現,而白光LED也逐漸成為這些電池驅動的攜帶式產品不可或缺的零件,但以手機而言,單純一顆鋰離子電池的電壓(3.0V~4.2V)並無法供給需有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並使其順利推動白光LED的驅動器。目前市面上常見的驅動器大約可分為並聯式及串聯式兩種,本篇文章即是分析此兩種驅動方式的優缺點,並舉例說明此兩種方式之解決方案,再進一步針對調光方法做介紹。


白光LED之驅動模式

並聯模式──充電泵轉換器

(圖一)為並聯模式的解決方案,AIC1845是一個充電泵轉換器,它可以提供一定電壓給白光LED而不需考慮其順向電壓。這種方式有幾個特性:首先,只需三個電容就可以從2.7V~5.0V 的輸入電壓得到穩定的5V輸出電壓,完全不需電感,所佔的體積也很小,適合使用於輕薄短小的手機;另外,由於它不需使用電感的關係,也就沒有一般轉換器最頭痛的線圈雜訊問題。對手機而言,最怕的電磁干擾問題也就不存在了。


然而這種方式也有幾個缺點:第一,雖然它可以提供一個比其順向電壓大的定電壓給白光LED以順利驅動,但對白光LED而言,其出廠時之順向電壓多少會有差異,而這些差異也造成了白光LED亮度不一的情形。第二,由於充電泵轉換器的動作特性,其輸出電壓會是輸入電壓的兩倍;也就是說對單顆鋰離子電池而言,假設其最高電壓為4.2V,若使用充電泵轉換器且在沒有穩壓的情形下,其輸出電壓應為8.4V,而為了要得到穩定的5V輸出電壓,需將這些多出來的電壓犧牲掉,這些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。


《圖一 白光LED驅動器之並聯模式》
《圖一 白光LED驅動器之並聯模式》

串聯模式──電感式升壓轉換器

(圖二)為串聯驅動器之解決方案,它可以提供一個定電流給LED,如同一般的升壓轉換器,它需要一個電感及整流器以達到升壓效果。這種方法有幾個特性:首先,由於LED是以串聯的形式接成的,對 LED而言所流過的電流都一樣,因此LED的亮度也會相同;第二,由於升壓型轉換器在其最大責任週期內可以有適當的升壓比,它可以提供一個足夠大的電壓以驅動LED,因此藉由這種方式來驅動的LED可以有較高的效率。


和並聯模式一樣,串聯模式也有其缺點。由於這種模式需要電感及其他外部元件方能達到升壓穩壓的效果,需要的元件比較多,對小型攜帶式產品而言所佔用的體積太大了。


《圖二 白光LED驅動器之串聯模式》
《圖二 白光LED驅動器之串聯模式》

驅動器之動作原理

充電泵轉換器

充電泵轉換器(AIC1845)可以將2.7V~5.0V的輸入電壓升壓,並提供一個穩定的5V輸出電壓。(圖三)為其內部構造的示意圖,其內部主要是由兩組共4個開關所構成,當回饋電壓(VFB)高於參考電壓(VREF)時,控制器將開關1關閉,並將開關2打開,此時輸入電壓對CFLY充電至VIN,而負載所需之能量由輸出電容COUT來提供;當輸出電容的能量逐漸消耗,輸出電壓也隨之下降。當VFB低於VREF時,控制器將開關1打開並將開關2關閉,此時輸入電壓會透過CFLY對COUT充電;在前一階段跨在CFLY兩段的電壓等於輸入電壓,因此在這一個階段COUT會儲存相當於兩倍的輸入電壓,內部的兩個分壓電阻會將輸出電壓穩在5 V。(圖四)為充電泵的等效電路圖。


《圖三 AIC1845內部構造圖》
《圖三 AIC1845內部構造圖》
《圖四 充電泵之等效電路圖》
《圖四 充電泵之等效電路圖》

電感式升壓轉換器

一個脈衝寬度調變(Pulse-Width-Modulation;PWM)控制之升壓型轉換器(AIC1896),可以提供一個定電流以驅動白光LED。(圖五A)為升壓轉換器之等效電路圖,當開關SW關閉時,電感L開始儲存能量,此時負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,當開關SW打開時,原本儲存在電感裡的能量會連同輸入電壓的能量一同對輸出電容充電,其等效電路如(圖五C)所示。


《圖五 升壓轉換器之等效電路》
《圖五 升壓轉換器之等效電路》

(圖六)為AIC1896的內部構造示意圖,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VC是回饋電壓(VFB)和參考電壓(VREF)的比較結果,而VC會再與1.4MHz的連續三角波(VST)做比較,如果VC比VST大則切換訊號為High,反之為Low,再用此切換訊號來控制內部N-MOSFET的ON/OFF。(圖七B)為PWM控制的切換波形。



《圖六 AIC1896內部構造圖》
《圖六 AIC1896內部構造圖》
《圖七  PWM控制示意圖與切換波形》
《圖七  PWM控制示意圖與切換波形》

在圖二的白光LED之串聯解決方案中,流過LED的電流(ILED)可以由下式求得:


《公式一》
《公式一》

其中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:


《公式二》
《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,回饋電壓會變成0V。此時IC的責任周期全開,其輸出電壓有機會上升到AIC1896之最大耐壓而對IC造成損害,因此我們需要一個Zener二極體以避免這種情形的發生。此Zener二極體的額定電壓可選擇約等於IC之最大耐壓。另外,為了怕流過Zener二極體的電流太大會對其產生損害,我們需要一個電阻R2來限制流過二極體的電流,且讓此電流大於Zener二極體的崩潰電流。


亮度控制

之前已略為提過流過LED的電流大小會影響其亮度,因此我們可以利用這個原理來達成LED的亮度控制。以下將敘述幾個應用在並聯及串聯白光LED驅動器上的亮度控制。


並聯驅動器之亮度控制

@內文如(圖八)所示,在並聯LED的應用上,我們可以將一個頻率為50Hz~100Hz的PWM訊號接至AIC1845的pin上,利用調整其責任週期來達到亮度控制的目的。當PWM訊號為High,則IC動作,連帶會有電流流過LED,反之則不會。如果將PWM的責任週期調至100%,則LED的亮度最大﹔如果調小,則亮度減弱。



《圖八 並聯驅動器之亮度控制》
《圖八 並聯驅動器之亮度控制》

串聯驅動器之亮度控制

在串聯LED的應用上,其亮度控制有較多的選擇:


使用PWM訊號

和並聯LED驅動器一樣,我們可以將一個頻率為1kHz~10kHz的PWM訊號接至AIC1896的pin上,或透過一個電阻接至FB pin上。如果使用前一個方法,如(圖九A)所示,則增加責任週期即是增加其亮度。如果使用第二個方法,如(圖九B)所示,責任週期的增加反而會減少其亮度。



《圖九 藉由PWM訊號來做亮度控制》
《圖九 藉由PWM訊號來做亮度控制》

使用一組直流電壓

另外我們可以藉由在FB pin加一組直流電壓來影響跨在R1上面的電壓,進而改變流過LED的電流。如(圖十)所示,當R3的電壓降增加的時候,在R1兩端的電壓降就會減少,進而減少流過LED的電流(ILED)。在決定R2和R3的電阻值的時候,要注意的是必須使從電壓源VDC流出的電流遠小於流過LED的電流,但遠大於FB pin 的偏壓電流(Ibias)。


《圖十 藉由一組直流電壓來做亮度控制》
《圖十 藉由一組直流電壓來做亮度控制》

使用一組濾波後的PWM訊號

一組濾波後的PWM訊號也可以用來控制亮度,它可以用來替代圖十中的VDC。當PWM的責任週期增加,就等於VDC的電壓增加進而降低LED的亮度。(圖十一)為其接線圖。


《圖十一 藉由一組濾波後的PWM訊號來做亮度控制》
《圖十一 藉由一組濾波後的PWM訊號來做亮度控制》

白光LED之效率比較

如同我們之前提過的,如果充電泵轉換器的輸出電壓沒有穩壓的話,其輸出電壓會是輸入電壓的兩倍,因此我們也可以假設其輸入電流是輸出電流的兩倍,如果這個關係式成立的話,並聯驅動器之LED效率可以定義成:


《公式三》
《公式三》

其中為並聯驅動器中LED的效率,是其損耗功率,VLED為其順向壓降,而ILED為流過LED的電流。同樣地,在串聯驅動器應用中,其LED的效率可以定義成:


將(公式一)和(公式二)代入(公式四),則:


《公式五》
《公式五》

其中為串聯驅動器中LED的效率,而η代表串聯驅動器的效率。


接下來讓我們舉個例子來比較在並聯及串聯LED驅動器中效率的差別。假設要用3.6V的輸入電壓來驅動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,在並聯LED的應用中,LED的效率如下式所示:


《公式六》
《公式六》

如(圖二)所示,在串聯LED的應用中,其輸出電壓為:


《公式七》
《公式七》

假設其整體應用線路的效率為80%,則LED的效率可以利用(公式五)計算得到:


《公式八》
《公式八》

依實驗發現,在不同輸入電壓時串聯驅動器的效率比並聯高大約10~27%。


結論

我們觀察到在並聯LED的應用中,輸入電壓越高則其效率越低。這佐證了我們之前所談到的關於充電泵的特性。雖然從實驗結果中知道串聯驅動器的效率比並聯式的高,可以大幅延長電池的使用壽命。但並聯式也有串聯式所沒有的優點。例如它的體積小適合用於輕薄短小的手機。使用的元件少等於成本少,這對系統業者而言這也是一個相當誘人的誘因。同時由於不需使用電感即可達到升壓的目的,對減少電磁干擾部份也有相當的貢獻。本文即是比較此兩種驅動法的優缺點,望能提供系統業者一個適當的選擇。


(作者任職於沛亨半導體)


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