前言
具備小型、長壽、低消費電力特徵的LED，成為次世代光源之後開始應用在各種領域。最近幾年隨著LED性能的提升，發光效率超過10W／lm，消費電力超過5W的LED已經商品化，利用LED替代傳統光源的趨勢越來越明顯。
備受期待的LED，為獲得均勻發光特性，會使用非常複雜的控制技術，其結果反而造成電力增大等困擾。LED若要發揮最大特性，如何充分掌握LED的特性，並選擇適當的驅動電路，便顯得非常重要。
LED的驅動方法
LED（Light Emitting Diode）屬於二極體電子元件，必需施加最低電壓的值閥值電壓，才能獲得驅動所需要的電流，這個電壓就是順電壓VF，一般白光LED的順電壓大約是3～4V。
因為製作時的分佈不均，順電壓VF使用溫度的變化不斷改變，因此LED不容易以定電壓驅動，如(圖一)所示。(圖二)則顯示施加電壓一旦超過順電壓VF，LED電流就會急遽增加。
流入LED的最大電流取決於LED種類，最大電流一旦超過額定值時，可能會引發LED破損及壽命降低等問題，因此LED的驅動電路，必需控制在額定電流範圍內，以定電流控制LED ON／OFF動作。
| 《圖一 白光LED NJSW036A的周圍溫度與順電壓特性》 |
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| 《圖二 白光LED NJSW036A的順電壓／順電流特性》 |
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LED發光時的光量會隨著輸入電流值變化。(圖三)是LED的順電流與相對光束特性的範例，如圖所示，電流增加光量也隨著提高，不過兩者未必成比例關係。此外LED的順電流改變，頻譜也會隨著變化，如(圖四)所示。
| 《圖三 白光LED NJSW036A的順電流與相對光束特性》 |
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| 《圖四 白光LED NJSW036A的順電流與色度特性》 |
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白光LED大多利用晶片產生藍光，再與包覆晶片的螢光體產生的黃光混色取得白光。此時若改變電流值，混色平衡也會跟著變化，若與單色LED比較，它的色變化相當明顯，業者多利用電流的光量調整方法，比較適合應用在要求發光色維持一定的用途。
PWM（Pulse Width Modulation）的調光技術，是維持一定發光色的常用方法，PWM利用人眼無法識別高速週期性改變亮度的錯覺特性，使LED的週期性高速與PWM信號同步點燈或熄燈。
此時點燈或熄燈的時間比率（duty cycle；亦即工作週期），決定觀視者識認的亮度，工作週期越大，觀視者感受越明亮。由於此時以點燈時序（timing）輸入至LED的電流為一定值，因此光色不會受到亮度改變。
一般照明應用的場合，PWM的調光頻率大約是200MHz，特殊應用時必需考慮LED的反應特性，選擇PWM的調光頻率。
LED驅動電路
LED屬於電流驅動發光的半導體元件，驅動上要求適當的電源。LED點燈時依照各LED施加順電壓VF，然而大部份的電源電壓未必與LED的順電壓VF一致。
此外為取得安全而穩定的發光，通常都使用定電流電路，使輸入LED的電流維持一定。此外支援PWM方式的調光模式，要求定電流電路具備接收外部信號高速ON／OFF電流的功能。
理想型LED驅動電路
(圖五)是理想性LED驅動電路，如圖所示?的電壓轉換電路，會將電源提供的電壓轉換成LED要求的順電壓VF，?的定電流源接受外部的PWM信號，使輸入LED的電流高速ON／OFF。
LED驅動電路主要功能是使LED點燈，理論上施加的電力，應該會全部被LED消費，不過實際上並不可能，因此必需極力削減LED以外的電力損失。
為獲得高電力效率，LED驅動電路大多使用切換型轉換器（Switching Regulator），利用線圈進行能量傳遞，可以產生壓倒性高效率的電壓轉換，某些轉換器的轉換效率高達95％，相較之下傳統線性轉換器的消費電力，會隨著電壓下降呈比例增加。
降壓型轉換器LED驅動電路
(圖六)是降壓型切換轉換器構成的LED驅動電路，如圖所示，LED設置在線圈輸入端與電壓回饋FB端子（feedback）之間，控制回饋端子電壓則維持在0.8V，由於該端子的輸入阻抗（impedance）非常高，因此流入端子的電流幾乎是0A。
輸入LED的電流IF使用設於FB端子與GND之間的電阻器R1 （以IF=0.8／R1表示），線圈L1提供電流給LED。線圈L1與電阻器R1構成定電流源，輸出的電壓Vout會隨著LED的順電壓VF自動調整。
圖六的降壓型LED驅動電路具備EN端子，EN端子利用外部信號使輸出關閉，當EN端子變成Low時，輸出會關閉，輸入LED的電流變成0A。PWM信號輸入至EN端子，當LED變成High時，LED會點燈並作PWM調光。
| 《圖六 降壓型切換轉換器構成的LED驅動電路》 - BigPic:566x268 |
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LED驅動電路穩定動作上必需使用輸出電容器Cout，然而LED電流ON／OFF時間受到電容器充放電時間，與轉換器反應特性限制，如(圖七)所示。事實上類似(圖八)的PWM調光工作週期（亦即調整亮度寬度）同樣受到一定的限制，當工作週期變大時，LED的反應就無法跟上，例如(圖九)LED未完全OFF時的波形就是最好的典型範例。
| 《圖七 LED的波形（ch1：2／div；ch4：50mA／div）》 |
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| 《圖九 工作週期變大（95％），LED未完全OFF的波形（ch1：2V／div；ch4：50mA／div）》 |
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LED驅動電路使用切換型轉換器的另一項優點，是可以構成升壓電路，即使類似電池驅動機器等低電源電壓系統，使用升壓電路時，只要將複數LED串聯連接，就可以同時點燈。
升壓型轉換器LED驅動電路
(圖十)是升壓型切換轉換器構成的LED驅動電路，圖中的FB端子電壓控制在1.23V，輸入LED的電流IF，可用IF=1.23／R1計算式求得，式中的R1表示電阻器。
這個升壓型LED驅動電路內建輸出耐壓為22V的MOSFET，可以驅動最多5個串聯連接，VF＝4V的白光LED，輸入電流隨著升壓比改變，升壓比越大輸入電流越少，以6V的電源電壓驅動5個串聯連接，VF＝4V的白光LED時，輸入LED的電流最大值大約是350mA。
理論上使用切換型轉換器可以構成接近理想的LED驅動電路，然而實際上大部份的切換型轉換器並不是針對LED驅動設計，因此PWM調光性能受到一定限制。
此外LED以外的的消費電力非常高，這意味著切換型轉換器性能上有許多改善空間，因此最近幾年半導體廠商發表許多LED驅動性能最佳化的LED驅動專用IC，例如一些降壓型LED驅動IC，能夠提供LED最大0.5A／1A的電流，非常適合驅動複數大電流LED應用。
另一種降壓型轉換LED驅動電路
(圖十一)是另一種降壓型切換轉換器構成的LED驅動電路，它與圖六的LED驅動電路非常類似，主要差異是前者未使用輸出電容器。
這型驅動電路採用固定導通時間COT（Constant On Time）控制方式，因此穩定動作不需使用輸出電容器與位相補償元件。這款驅動電路CF端子的電壓大約是200mV，可以削減LED以外的的消費電力。雖然這款LED驅動電路動作頻率屬於固定式，不過使用只要連接電阻器RON就可以透過LED改變。
| 《圖十一 另一款降壓型切換轉換器構成的LED驅動電路》 |
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(圖十二)是流入LED的電流與CS端子電壓的波形，由圖可知輸入LED的電流波形與線圈的電流波形相同都是三角波。
轉換器的切換頻率非常快，人眼無法識別該電流變動造成的亮度變化，三角波的振幅，由轉換器的切換頻率與線圈值決定，相同頻率時線圈值越小、振幅越大。如果容許大振幅就可以使用小線圈，相對地電路面積也會跟著變小，反面缺點是LED的發熱會變大，必需透過動作頻率與線圈值的設定，使三角波的振幅收斂在平均電流值的5～20％範圍內。
這款降壓型LED驅動電路會將PWM信號輸入至DIM端子進行調光，不需使用輸出電容器，具備高速輸出反應特性，若與一般轉換器比較，它能夠實現高速大動態範圍的PWM調光，調光比為10：1，調光頻率大約是30kHz。
| 《圖十二 LED電流與CS端子電壓的波形（ch1：200mV／div；ch4：200mA／div）》 |
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反應特性與比較測試
(圖十三)是上述兩款降壓型LED驅動轉換器的反應特性比較結果，由右圖可知這款驅動電路可作高速切換，速度適合大部份用途，要求高速調光時可將N通道MOSFET與LED串聯連接，如(圖十四)所示，接著再將PWM信號輸入該匯流匣，就能夠支援超高速調光的要求。
| 《圖十三 降壓型LED轉換器驅動電路的反應特性比較示意圖（ch1：2V／div）》 |
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| 《圖十四 與LED並聯連接的N通道MOSFET示意圖》 |
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(圖十五)是使用上述電路時，PWM信號對LED電流反應特性的測試結果，若與使用DIM端子的電路比較，它可以獲得非常高速的反應特性。
上述方法可以實現10：1的調光比，與100kHz以上的動作頻率，不過LED熄燈時電流會持續流入MOSFET，因此它的消費電力比使用DIM端子的電路大，雖然改用一般降壓型轉換器就可以改善上述問題，不過這種方式卻不能使用升壓型轉換器。
| 《圖十五 與MOSFET並聯連接時的LED電流變化（ch1：500mV／div；ch4：2V／div）》 |
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複數小電流LED驅動模式
近幾年消費電力超過3W的大電流LED已經商品化，其單體發光量比以往任何LED還大，然而大電流LED的發光效率卻比小電流LED低，若要重視發光效率，必須使用複數小電流LED，才能獲得必要的光量。
此外LED的指向性非常強，單一LED不易形成面光源，此時大多使用複數小電流LED，再將LED設置成格子狀形成面光源。
複數LED同時點燈，LED的連接方法成為棘手問題，例如90個VF＝4V的白光LED串聯連接點燈時，驅動上要求360V+α的電壓。不過實際上高電壓元件的種類相當有限，而且成本有暴漲之虞。工程師在設計上可以15個LED先作串聯連接，接著作6並列排列串並聯方式連接，由於LED的串聯數為15個，因此驅動上只需60V+α。
這裡須注意的是，LED並聯驅動時，列與列之間的順電流IF與順電壓VF的分佈不均，會造成光量分佈不均，並使LED故障時的對策比串聯驅動結構更為複雜等困擾。
模式說明
以下所介紹的LED驅動電路，同時具備複數LED點燈等眾多功能。(圖十六)是升壓型切換轉換器與LED驅動用電流源IC構成的升壓型多燈LED驅動電路，本電路可以同時驅動100個以上VF＝4V的白光LED。
升壓型切換轉換器輸入電壓範圍為6～40V，最大輸出電壓為80V。LED驅動用電流源IC具備6通道定電流輸出，每個通道輸出40mA的電流，LED驅動用電流源IC並內建PWM信號調光功能、LED故障時的保護功能以及檢測信號輸出功能，而且各通道的電流誤差低於±３％。
上述兩者使用專用端子連接，利用DHC（Direct Headroom Control）方式，使輸出電壓自動調整成LED驅動上要求的最適電壓，如(圖十七)所示。
| 《圖十六 升壓型切換轉換器（LM3430）與LED驅動用電流源IC（LM3432）構成的升壓型多燈LED驅動電路》 |
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| 《圖十七 DHC（Direct Headroom Control）驅動電路示意圖》 |
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LED的單體順電壓VF分佈不均相當大，驅動各列LED的必要電壓都不一樣，DHC會將輸出電壓，當作順電壓VF的總和進行控制，使驅動最大列時必要的電壓變成最小值。LED點燈狀態下即使溫度變化造成順電壓VF改變，該控制會使輸出電壓自動變成最適值，因此可以實現抑制消費電力的目的，如(圖十八)所示。
| 《圖十八 未使用DHC時的LED電力效率（6×8＝48個LED，各20mA驅動）》 |
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另外如(圖十九)所示，這個LED驅動用電流源IC具備各40mA6通道定電流輸出，未使用的通道若連接至GND就變成少列數使用；若整合複數輸出還可以增加各列的最大電流，如(圖二十)所示。
| 《圖十九 多餘通道連接至GND的Disable電路示意圖》 |
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| 《圖二十 整合複數列、提高LED電流的電路示意圖》 |
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設計複數的LED驅動用電流源IC，連接到一個升壓型切換轉換器，可以同時驅動更多的LED。(圖二十一)是使用複數LED驅動用電流源IC，增加LED同時點燈數量的電路範例，本電路最多可以同時驅動200個以上VF＝4V的白光LED。
圖中點線圍繞部份，是本電路對所有LED驅動用電流源IC發揮DHC功能的動作範圍，輸出電壓可以驅動18列中，順電壓VF總和為最大的列，如此就可以使電壓抑制在最小範圍內。
| 《圖二十一 使用複數LED驅動用電流源IC，增加LED同時點燈數的範例》 - BigPic:679x574 |
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小結
以上介紹LED的特性和最適當的驅動方法，以及LED專用IC構成的驅動電路。為獲得均勻發光，驅動LED需使用控制非常複雜的技術，然而藉由選擇適當的LED驅動IC，同樣可以獲得使用容易的驅動電路。下個月我們將接著要介紹高功率LED的驅動技術。
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