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LED电路中的白光LED的控制电路图
接线图
2023年10月21日 10:19 139
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白光LED为电流驱动器件，其光输出强度由流过LED的电流决定。图1是由电压源和限流电阻构成的一种简单偏置电路，流过白光LED的电流由下式确定。
来源:小芬
式中，RLIM为限流电阻，在图1中RLIM分别为R1，R2，R3。
图1 LED偏置电路
这种方式的成本较低，但要求LED参数要一致。图2、图3为25℃时白光LED的正向电压（典型值）与导通电流的关系曲线。从电流指标可以看出：GaAsP-LED的正向电压UF可以上升到2.7V（高出典型值40％）；白光InGaN -LED的正向电压UF可以上升到4.2V（高出典型值10％）。如果系统中需要多个白光LED，如移动电话显示器背光需要采用8个白光LED，按照图2-35的设计方案将需要多个限流电阻，将占用较大的线路板面积。
图2 LED偏置电路
图3 典型InGaN的正向电压与正向电流的对应关系
如果将Ucc增大到UF的10倍以上则可以减少受UF变化的影响，但耗电较大，不符合电池供电电子设各的需求。对于采用单节锂离子电池供电的电子设备，锂离子电池电压的变化范围为3～4.2V。如果白光LED的偏置电路只是简单地由锂离子电池和限流电阻组成，则输出亮度将会产生明显的变化。合理的方案应该是采用电流偏置电路。
（1）电流偏置电路
电流偏置电路实际上是用1个电流源为白光LED提供偏置。如果电流源具有足够的动态范围，则这种偏置方式将不受UF变化的影响。图4为电流偏置方案的原理框图。该电路将图1中的限流电阻用电流源替代了。LED的光输出强度与电源和正向电压无关，只要有足够的电源电压为电流源和LED提供偏置即可。图4中的VT1为使能控制开关。
图4 用电流源为LED提供偏置
MAX1916为专用白光LED驱动IC，MAX1916提供了一种先进的白光LED电流偏置电路。MAX1916在微型50723封装内集成了3组电流源，流过RSET的电流镜像到了3个输出端，如图5所示。电路中的几个相同的MOSFET具有相同的栅源电源，因此它们的沟道电流相同，电流的大小由镜电流ISET决定。MAX1916的电流最大失配度为±5％，“镜像系数”为200：1（200A／A）。也就是说，当ISET为50μA时，每个输出端的电流为10（1±0.05）mA（最大）。SET端由内部偏置在1.25V。ISET由下式决定。
每路电流之间的偏差为±5％。输出端的饱和电压为
图5 MAX1916内镜像电流电路
式中，UOUT（SAT）为输出端饱和电压。
MAX1916的漏源电阻在整个温度范围内保证不高于50Ω，一个工作电流为2mA的GaAsP-LED保证正常工作所需要的最低电压是UF＋100mB，2.71V的输入电压能够将GaAsP-LED工作电压维持到2.7V。为了获得更低的压差和更高的输出电流，可以将MAX1916的三路输出并联构成“镜像系数”为600A／A的电流源。MAX1916输出并联电路如图6所示，并联后的漏源电阻为50／3＝16.67Ω（最大值）。这种连接方式允许单个白光LED在3V供电时电流达到20mA以上，以满足目前便携式移动电话等产品对背光源的要求。用于设置端电流的电压源可以由带载能力较强的主电源单独提供，如在移动电话中，USET可以由射频（RE）电路的低噪声＋2.8V电源提供。如果直接由单节锂离子电池供电，则MAX1916适用于驱动正向电压较低的GaAsP-LED，而对于正向电压较高的白光InGaN -LED则需采用其他驱动方案。因为由锂离子电池供电时，随着电池的放电，输入电压可能无法满足白光LED所要求的偏置电压。
图6 MAXl916输出并联电路
（2）电荷泵升压变换器驱动白光LED的解决方案
对于正向电压在3.5～4.2V（在20mA条件下）的白光LED通常需要升压变换器，可以用电荷泵（如MAX682～MAX*）与MAX1916共同构成这种白光LED的驱动电路，如图7所示。MAX682～MAX*能够将2.7V的输入电压转换为5.05V输出，输出电流能够分别达到250mA、100mA、50mA。利用MAX*的关断控制引脚或MAX1916的使能控制引脚可以关闭白光LED。在图7电路中，MAX*在关断模式下的电源电流降至22μA；当REST＝43kΩ时，白光LED电流为22mA。
图7 采用电荷泵升压电路控制3只LED
利用电荷泵构成的白光LED电流控制电路如图8所示，反馈调节电压的典型值为1.235V，IpK＝1.235／RSENSE，式中的IpK为峰值电流。选用24Ω的检流电阻能够为白光LED提供50mA的电流。电荷泵工作时，输出电压上升至白光LED的开启电压，此时白光LED开始导通。白光LED的典型正向电压为3.5（1±0.1）V，加上反馈调节电压后，MAX17595输出端提供的偏置电压为4.735V。该电路输出电压的纹波在40mV以内，不会导致白光LED的输出产生明显变化，通常人眼觉察不到。另外，图8的电路在关断状态下的输入与输出之间没直流通路。
图8 由电荷泵构成的白光LED电流控制电路
（3）基于电感变换器驱动白光LED的解决方案
对于有更高功率要求的应用场合，可采用基于电感的MAX1848驱动器，MAX1848的外部电路只需要极少的元件，输出功率为800mW时其转换效率达88％。MAX1848将升压变换器与电流控制电路集成在6引脚SOT23封装内，它利用电流检测驱动3组白光LED，每组LED包括3个串联连接的白光LED，如图9所示。MAXl848的输入电压范围为2.6～5.5V。MAX1848利用电压反馈调节流过白光LED的电流，较小的检流电阻（5Ω）有利于节省功耗、保持较高的转换效率。在MAX1848的典型应用电路中的器件参数为：L1＝33μH，CCOMP＝150nF，COUT＝1.0μF，RSENSE＝5Ω。白光LED电流由控制电压确定：IOUT＝UCTRL／（18.1133×RSENSE）。
图9 MAX1848的应用电路
白光LED的亮度可以通过CTRL引脚的DAC调节或电位器分压电路调节，电压控制范围为＋250mV～＋5.5V，将控制引脚接地可实现关断。
（4）MAX1984驱动白色LED电路
MAX1984器件的主要特点有：采用了转换效率高于95％的升压式同步整流DC／DC变换器，并且无须外部肖特基二极管，工作频率为1MHz，可减小外部电感及电容的尺寸；驱动器的总的效率高达90％；MAX1984可驱动8个白光LED，其电流不匹配的最大值为8％；可设定最大白光LED电流；有三种方式可调节白光LED的亮度；可选择某些白光LED亮、某些不亮；该电路在关闭状态时耗电0.1A（典型值）；有独特的0.5mA测试模式；内部有过压保护：工作电压范围为2.7～5.5V；有低压锁存功能（2.4V）；20引脚小尺寸4mm×4mm的QFN封装；工作温度为－40～＋85℃。
MAX1984的典型应用电路如图10所示。电路的有关参数的计算及组件的选择如下。
图10 MAX1984的典型应用电路
①亮度调节。白色LED的发光亮度能通过SETI端的电流选择来调节（通过LED的电流从15％～100％变化）。有三种调节模式：PWM模式、模拟电压模式及2位或3位并行控制模式。
最大白光LED电流（ILED（FS））由SETI端来设定：SETI端接IN端，IOED（PS）=18mA；SETI端接GND端，是白光LED电流为0.5mA的检测模式；SETI端接一个电阻RSETL时，ILED（FS）与RSETI的关系为
式中，K＝3851，UREF＝1.25V。
将MODE端及BITC端接IN端，BITB端悬空时，PWM信号由BITB输入。白光LED的电流ILED，由下式决定。
式中，ILED（FS）是由SET1端设定的电流值；D是PWM信号的占空比。
白光LED的平均电压是通过内部的一个RC滤波器获得的，其时间常数为0.1ms，它适用于PWM频率为10kHz～2MHz的场合。若采用更低的频率，则需要在BITB端外接一个电容CEXT到地，以增加其时间常数。PWM的占空比调节范围为⒛％～100％。在PWM模式时，当D<5％，并且BITC接低电平时，它进入关闭模式。
将MODE端、BITA端及BITC端连接到IN端时，直流控制电压从BITB端输入，其电压范围为140～0.938mV。
在3位并行控制模式下，MODE端接GND端；在2位并行控制模式下，MODE端接IN端，BITC端接地。
②关闭状态控制。在不同的亮度控制模式下，其关闭控制方式也不同：在PWM控制模式下，若BITA端输入的占空比小于5％（典型值），器件被关闭；在模拟电压控制模式下，在BITA端及BITB端都是低电平时，器件被关闭；在并行控制模式下，BITA端、BITB端、BITC端都是低电平时，器件被关闭。
③有关组件参数的选择。
电感器。由于振荡器工作频率达1MHz，所以可采用低剖面高度的贴片式电感器，电感 器的值为10μH。所采用的电感器的饱和电流应大于内部开关的限制电流（0.65A），磁 性材料要满是1MHz的频率要求。采用有屏蔽的电感器可减少EMI的影响。
输出电容器。输出电容器用于稳定电路及减小输出纹波电压，该电路的输出电容的值 为4.7μF（或采用两个2.2μF电容并联），采用贴片式陶瓷电容器不仅温度稳定性好， 并且其等效串联电阻（ESR）小，有较小的纹波电压及更好的效率。额定电压取10V。
输入电容器。输入电容器可减少电源端的峰值电流值及减少噪声输入，一般输入电容 的容量与输出电容的容量相等，或者小于输出电容。此电容器尽量接近IN端（小于5mm）。若输入电容器不是采用的贴片式多层陶瓷电容器，则需要另加一个0.1μF的 陶瓷电容以滤掉高频噪声。
来源:小芬
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