在電池供電應(yīng)用中驅(qū)動 LED：高效控制亮度功率

本應(yīng)用筆記介紹了包括WLED在內(nèi)的LED的工作原理。該說明還解釋了如何在電池供電的LED應(yīng)用中驅(qū)動它們，包括鋰離子（Li+或Li-ion），鎳鎘（NiCd）和鎳氫（NiMH）可充電手持設(shè)備，其中功耗很重要。討論了LED亮度匹配以及串聯(lián)與并聯(lián)LED的值。還提供了幾個LED驅(qū)動器的應(yīng)用信息，這些驅(qū)動器可以有效地驅(qū)動和控制LED。

關(guān)于發(fā)光二極管

發(fā)光二極管 （LED） 是真空鎢絲燈泡的固態(tài)、高可靠性、高效率對應(yīng)物。基于砷化鎵磷化物 （GaAsP） 的外延材料產(chǎn)生紅色、綠色或黃色輸出（圖 1）。基于硝酸銦鎵 （InGaN） 的材料產(chǎn)生藍色或白色輸出（圖 2）。不同的化學(xué)成分也會產(chǎn)生不同的電氣特性。

圖1.紅色、綠色和黃色二極管的相對光譜響應(yīng)（IF= 2毫安，T一個= +25°C）

圖2.白光二極管的相對光譜響應(yīng)（IF= 20毫安，T一個= +25°C）

在圖 1 和圖 2 中，曲線 V L表示人眼的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)。為了獲得白光，藍色發(fā)射器被在藍光刺激時發(fā)出黃光的材料覆蓋。眼睛將輸出解釋為白色，并產(chǎn)生圖2的光譜響應(yīng)。

偏置二極管

LED是電流驅(qū)動器件，其中光輸出直接取決于通過它們的正向電流。一個簡單的偏置電路將電流（以及光輸出）保持在合理的恒定值，與與LED串聯(lián)的單個限流電阻器匹配目標(biāo)電源（圖3）。

圖3.LED 偏置，每個 LED 只有一個電阻

這種設(shè)計方法成本低，但由于每個LED之間的VF值分布，允許電流變化。圖4和圖5顯示了典型正向電壓特性與正向電流的關(guān)系，顯示了+25°C時的變化。 在20mA時，GaAsP LED的VF最大值上升至+2.7V，InGaN LED的VF最大值上升至+4.5V。對于需要多個二極管的系統(tǒng)，例如手機顯示器背光（8個LED），額外的電阻器占用了相當(dāng)多的印刷電路板面積。

圖4.典型砷化鎵正向電壓與正向電流的關(guān)系，在+25°C時

圖5.+25°C時典型InGaN正向電壓與正向電流的關(guān)系

你可以減少V的影響F通過增加 V 值來變化源.然而，這種方法浪費了電力，并且與低壓電池電源（如單個鋰離子電池）不兼容。鋰離子端電壓從充滿電時的+4.2V到放電時的+3V不等。因此，由該電源供電且具有簡單電阻偏置的LED將表現(xiàn)出明顯的光輸出變化。因此，與電阻偏置相比，更好的方法（用于改善壓差并穩(wěn)定光強度隨電源電壓的變化）采用電流偏置。

電流偏置

顧名思義，LED連接到電流源。假設(shè)電流源具有足夠的動態(tài)范圍，這種偏置方法消除了V的影響F變化。因此，單個電流源取代了圖5所示的各個電阻（圖6）。因此，假設(shè)有足夠的電源電壓來偏置電流源和LED，則光輸出與電源和正向電壓無關(guān)。與之前一樣，Q1提供了一個使能開關(guān)。

圖6.帶電流源的 LED 偏置

MAX1916提供了一種簡單的LED電流偏置方法。MAX6在小型23引腳SOT7表貼封裝（圖1916）中集成三個電流源，實現(xiàn)圖6所示的電流源方式。SET電阻中的電流鏡像在三個OUT端子上。對于電流“鏡子”，如果n個相同MOS晶體管的柵源電位相等，則它們的通道電流也將相等。另一個優(yōu)點是，如果鏡像MOS器件（Q2、Q3和Q4）比鏡面MOS器件（Q1）大m倍，則輸出電流比鏡面電流（I設(shè)置).

最后，集成電路比分立電路實現(xiàn)更精確的電流比。

圖7.MAX1916 LED電流鏡的簡化圖

MAX1916輸出之間的電流失配最大值為5%，鏡像常數(shù)為230A/A ±10%。我外由以下人員給出：

我外= 230 I設(shè)置.

SET端子內(nèi)部偏置至+1.215V ±5%，產(chǎn)生以下SET電流：

我設(shè)置= （VSOURCE - 1.215V）/R設(shè)置.

任何 LED 電流與任何其他 LED 電流的距離均不超過 5%。例如，如果一個 LED 電流為：

207 一設(shè)置（-10%），則剩余 LED 電流必須介于 207 I 之間設(shè)置和 218 I設(shè)置.

輸出飽和電壓是非線性的，不能用電阻器建模。在整個溫度范圍內(nèi)的代表性最大值為+0.410V/20mA、+0.360V/10mA和+0.180V/5mA。

因此，工作在5mA的低電流GaAsP二極管需要VF + 180mV的最小電壓才能正常工作，并且LED工作電壓可以保持在+2.9V以下。低壓差值表明MAX1916在極低的漏源電壓下仍能保持穩(wěn)壓狀態(tài)。為了實現(xiàn)更低的壓差和更高的輸出電流，MAX1916輸出可以并聯(lián)，鏡像常數(shù)為690。

設(shè)定電流端子的電壓電源可以獨立于主大電流電源。例如，對于工作在蜂窩無線電的MAX1916，VSET可以從RF電路的低噪聲+2.8V電源獲得。當(dāng)直接由單節(jié)鋰電池供電時，MAX1916適合與GaAsP低正向壓降LED配合使用。由鋰電池供電的InGaN WLED需要不同的方法，因為輸入電壓可能不足以偏置這些LED。

用于 WLED 的無電感升壓電源

WLED 應(yīng)用需要升壓電源，因為 WLED 的正向電壓（+3.5V 至 +4.5V/20mA）高于其他 LED 類型。過去，電荷泵升壓電源與MAX1916配對即可解決這個問題。然而，這些功能已結(jié)合在MAX1575/MAX1576控制器中，因此需要更少的空間和更低的成本。

MAX1574/MAX1575/MAX1576提供高輸出電流、良好的電流匹配、用于高效率的自適應(yīng)模式切換、過壓保護和多達8個LED驅(qū)動引腳。采用串行脈沖代碼方案，可通過雙模式?使能引腳實現(xiàn)設(shè)定電流百分比的可編程調(diào)光。

圖8所示為MAX1574電荷泵驅(qū)動3個LED，總輸出電流高達180mA。1MHz 開關(guān)速率允許在電荷泵中使用小型陶瓷電容器。

圖9所示為MAX1576電荷泵驅(qū)動兩組4個LED，總輸出電流高達480mA。閃光燈組允許每個LED高達100mA;每組具有獨立的設(shè)定電流、串行脈沖調(diào)光和 2 線對數(shù)調(diào)光控制。通過自適應(yīng)模式切換，單個鋰電池放電曲線上的平均效率為 83%（圖 10）。MAX1576非常適合使用LED閃光燈的數(shù)碼相機應(yīng)用。

MAX1575為器件型號，以4mA總輸出驅(qū)動兩組LED（2個主LED和120個副LED）。

圖8.集成電荷泵，帶一組 LED 電流源

圖9.帶兩組 LED 電流源的集成電荷泵

圖 10.MAX1576在典型鋰電池電壓下的效率

基于電感的WLED控制器

MAX8在23引腳SOT1848封裝中集成了升壓轉(zhuǎn)換器和電流檢測功能，可以從+3.2V至+6.5V輸入電源驅(qū)動多達兩串5個WLED（圖11）。MAX1848采用電壓反饋來調(diào)節(jié)進入LED的電流。模擬控制設(shè)置整體 LED 亮度;驅(qū)動雙?？刂埔_的DAC或分壓器設(shè)置LED電流。所示電路的電壓控制范圍為+250mV至+3.3V，LED電流范圍小于每串2mA至20mA （關(guān)斷為0V）。然而，對于并聯(lián)串，串之間的亮度匹配可能是一個問題，因此以犧牲效率為代價增加了額外的串聯(lián)電阻。一個好的折衷方案是每個LED增加20Ω，或為60個LED增加3Ω。

圖 11.電流調(diào)節(jié)采用MAX1848電感式升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動多達6個LED

圖 12.電流調(diào)節(jié)采用MAX8595X電感式升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動多達9個LED。

MAX1848的器件數(shù)量較少，如圖12所示，使用MAX8595/MAX8596高壓控制器。MAX8595X可在9mA電流下驅(qū)動25個LED。MAX8596X增加溫度降額，使LED電流在高于+42°C環(huán)境溫度時下降。MAX8596Z可驅(qū)動多達8個LED。

雙模式控制引腳允許使用補償引腳上的電容作為濾波器進行邏輯電平 PWM 調(diào)光?？梢允褂?00Hz至200KHz的頻率。占空比從 0 到 100% 產(chǎn)生從 0 到滿值的輸出電流。也可以使用來自DAC的簡單模擬電壓電平。在這種情況下，輸出電流檢測電壓等于控制電壓的1/5，直至箝位電壓。箝位電壓將 LED 電流限制為滿值，即使控制電壓增加到限值以上也是如此。

內(nèi)部振蕩器的工作頻率為1MHz，允許使用小型元件?？蓪崿F(xiàn)高達 86% 的效率。MAX8596提供最小的封裝和最少的LED驅(qū)動元件數(shù)量。

MAX8790A為高效率、電流模式升壓驅(qū)動器，適用于WLED應(yīng)用的多串并聯(lián)。MAX8790A可以驅(qū)動多個串聯(lián)LED的<>個并聯(lián)串。它提供兩種調(diào)光控制：模擬調(diào)光可提高轉(zhuǎn)換器效率，數(shù)字調(diào)光可減少色彩失真。

圖 13.MAX8790A電感升壓轉(zhuǎn)換器可驅(qū)動多達<>個并聯(lián)LED鏈

審核編輯：郭婷