多颗LED驱动方案的设计

多颗LED驱动方案的设计,LED driver

由于LED工艺的不断改进和LED厂商的壮大和成熟，LED的应用领域越来越广，已从最初的单纯小尺寸LCD背光应用发展到现在的仪器仪表指示灯、照明灯、矿灯、路灯、汽车灯、大屏幕广告和LCD TV。随着市场的需求和发展，LED的应用领域将会渗透到各个行业中。

照明和提供光源的LED应用通常需要大电流才能提供足够的亮度，因此需要很多数量的LED。传统上有两种组合方案：LED串联方案和LED并联方案。

LED串联方案中的LED电流一致，控制简单，但由于要求很高的输出电压，所以必须将输出电压升高。升压方式通常采用电感式升压电路，将低输入电压通过开关电源转换成高输出电压。这种方式由于存在开关噪声、功率电感和EMI，设计难度较大。

并联LED采用电荷泵驱动，比串联方案简单，EMI也比较容易控制。但LED数目较多，需要多颗通道的LED驱动，而现有芯片最多支持6个通道，所以要求采用多颗芯片，这样将导致电流一致性变差、成本增加。

考虑到以上两种方案的优缺点，串并联方案通常是更好的选择。Sipex公司的SP7615/6系列正是基于这种应用而开发的芯片，它不是传统的电感式升压芯片，也不是基于电容式的电荷泵升压芯片，而是线性降压灌电流型的恒流源芯片。

SP7616是工作电压为4.5V~30V的4通道恒流线性的LED驱动器，每通道支持最大60mA电流，内置均流匹配电路使每通道之间的电流差异小于1.5%。在如图1a所示的SP7616的典型应用电路中，如果V_CC>(N×Vf+V_DROP)，则流过4个通道LED的电流都是恒流且匹配的。其中，R_SET被用来设定每一通道最大电流，R_SET=1.0V×950/I_OUT；N是每串的LED数目，由于输入电压最高支持到30V，所以每串的LED数量最大支持到29/Vf颗；Vf是电流流过LED的导通压降；1.0V是I_SET脚对地的电平；950是电流的放大倍数，即流过LED串的电流是流过R_SET的电流的950倍；V_DROP是芯片本身的截止电压，也指LED的阴极到地的电压，它与通过LED的电流有密切关系，设计人员可根据图2来查电流对应的V_DROP。

图1：(a) SP7616的典型应用电路，该芯片每通道支持最大60mA电流；(b) SP7615的典型应用电路，该芯片每通道支持最大126mA电流。

图1a电路还可以通过用PWM信号控制PWM脚来实现调光，并支持10%~90%占空比的100Hz~5kHz的PWM信号。当某一通道不用时，可以将其短路到地，但要注意，LED2脚不能短路到地，因为LED2是电流设定基准，其它几个通道与LED2是镜像电流源的关系。

该方案的效率E=(V_IN-V_DROP)/V_IN。由图2可知，V_DROP不能超过0.9V，所以最大效率E=(30-0.9)/30=97%。由于是线性的电源方案，所以V_DROP的大小直接影响损耗，W=V_DROP×I_OUT。因此当设计该电路时，在满足能驱动LED串的前提下尽量让Vdrop低一些，即输入电压不能太高以减小芯片上电压的损耗，并通过在PCB上覆铜来解决芯片的散热问题，以免过热。

图2：LED电流与Vdrop关系。

从图1a和工作原理看出，该方案是线性降压方案，内置电流匹配电路，不存在开关信号，也没有EMI和电感，具有成本低、效率高、设计简单的优势。此方案可广泛应用于14#以下LCD背光，从而取代传统的DC/AC的CCFL背光方案。

如果每个通道需要更大的电流，可以选用Sipex公司的SP7615。SP7615是工作电压为4.5~16V的、每通道最大电流为126mA的4通道恒流源LED驱动器，典型应用电路如图1b所示。SP7615工作原理和设计方法跟SP7616类似，只是每通道电流最大可到126mA，具体的信息请参考SP7615规格书。

某些特殊的应用领域要求串联更多的LED，这就需要更高的工作电压，针对这类应用Sipex也推出了相应的解决方案，即V_CC、V_IN采用独立供电方式(图3)。V_CC和V_IN采用独立供电方式，V_CC供电让芯片正常工作，V_IN供电实现LED的恒流工作。V_IN根据串联LED的个数和Vf来确定，例如，如果串联12个LED，当电流等于40mA、Vf=3V时，V_IN大于36V，考虑到V_DROP和散热问题，建议V_IN采用37V电源。

图3：V_CC、V_IN采用独立供电方式可满足串联更多颗LED的应用要求。

此外，如果某些系统无法提供两个独立的电源，可通过稳压管和三极管将12V转换为5V给芯片供电(图4)。如果系统无法提供高的输入电压，则需要通过升压电路将V_IN升压到LED串所需的电压。图5电路利用SP6136将9~12V电压升高到能驱动8个LED，此方案可应用于手持设备或者用电池供电的背光，如移动DVD、数码像框等。

图4：如果系统无法提供两个独立的电源，则通过稳压管和三极管将12V转换为5V给芯片供电。

总之，SP7615/6是业界超小尺寸的恒流驱动芯片，采用2×3mm DFN-8封装，具有无电感、无电容、无开关燥声、无开关频率、无EMI、内置均流电路、设计简单、效率高、低成本的优势，能快速满足目前大电流LED应用的需求。

图5：如果系统无法提供高的输入电压，则通过升压电路将V_IN升压到LED串所需的电压。

作者：黄维刚

现场应用工程师

Sipex公司