利用低漏失LDO實現(xiàn)低電壓的WLED驅(qū)動

　　白光發(fā)光二極管（WLED）已受到廣泛應(yīng)用，主因在于WLED可用于提供可攜式電子產(chǎn)品顯示器的背光。一般認為單一WLED需要4伏特的驅(qū)動電壓，由于鋰電池提供3.6伏特的電壓，因此一般業(yè)界認定需要升壓轉(zhuǎn)換器（Step-up Converter），才能以單顆鋰電池進行WLED的供電，因此許多IC都可用于驅(qū)動WLED，其中大部分需要外部電感或飛馳電容器（Flying Capacitor），才能將電池電力提升到足夠的電壓。

　　由于WLED技術(shù)日漸成熟，因此正向電壓的需求逐漸減少，目前有許多LED的一般正向電壓（VF）範圍介于3.2～3.5伏特，最大範圍則介于3.7～4伏特之間。資料表通常針對大約15～25毫安培的LED電流指明這類電壓。本文探討較低電流的應(yīng)用，以及這些應(yīng)用如何影響WLED的正向電壓，文中也以德州儀器（TI）全新的LED驅(qū)動器TPS75105為例，說明如何以較小體積與較低成本有效驅(qū)動這些較低電壓LED。

　　透過I-V曲線 辨析WLED應(yīng)用正向電壓

　　WLED與其他標準p-n接面二極管類似，必須有足夠的正向電壓才能導(dǎo)電。當(dāng)電壓超過臨界值時，會以WLED的正向電壓提升正向電流。圖1顯示兩個WLED的一般I-V曲線。

　　圖1　一般WLED I-V曲線

　　判讀此圖相當(dāng)容易。在一般二極管I-V曲線上，當(dāng)電壓超過臨界值時，電流便會隨著電壓急遽提升。圖1a顯示裝置的一般正向電壓經(jīng)指定為3.2伏特，正向電流為20毫安培，處理過程及溫度變化中最高出現(xiàn)3.7伏特。從中可看出應(yīng)用需要升壓直流對直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器，才能以單顆鋰電池的3～4.2伏特輸出驅(qū)動WLED。然而，實際狀況并非如此。以5毫安培WLED電流應(yīng)用為例，圖1a的曲線顯示驅(qū)動5毫安培所需的正向電壓大約是2.9伏特，此遠低于資料表顯示的驅(qū)動20毫安培所需一般電壓，因此，只須使用3.6伏特鋰電池即可驅(qū)動2.9伏特輸出電壓，完全毋需升壓轉(zhuǎn)換器。

　　WLED的規(guī)格涵蓋批次間程序及製作變化的一般值及最大值，資料表提供的I-V曲線通常是元件符合一般規(guī)格的情況，雖然曲線形狀對于製作的各零件都有效，然而視個別裝置的不同測試條件，曲線會偏右或偏左。若使用前例中相同零件編號的其他LED，在一般測試條件（20毫安培正向電流）下測出的正向電壓為3.7伏特（額定上限），此電壓比一般裝置高出0.5伏特，這表示需要3.4伏特（2.9伏特加上0.5伏特）的最大正向電壓，才能以5毫安培驅(qū)動此WLED。根據(jù)應(yīng)用的截止電壓，毋須使用升壓轉(zhuǎn)換器，便能夠以5毫安培驅(qū)動這個特殊WLED。藉由這項技巧可判斷任何應(yīng)用的最大正向電壓。

　　溫度變化影響LED特性

　　某些應(yīng)用要求WLED在極端溫度的較嚴峻環(huán)境下運作，溫度變化會影響LED特性，但是對于低電流與高電流的影響并不十分強烈。圖2中來自一般WLED資料表的圖形顯示正向電壓與溫度兩者之間的關(guān)係。

　　圖2　正向電壓與溫度之間的關(guān)係（日亞NSSW100CT）

　　此圖顯示溫度的關(guān)聯(lián)性隨著電流與正向電壓的增加而更為顯著。此外，一旦溫度升高，正向電壓便會降低。5毫安培曲線顯示，從室溫（25℃）變化至額定上限溫度（85℃）時，正向電壓大約降低0.1伏特，判斷所需的正向電壓時，應(yīng)將此納入考量，不過其中的影響不甚明顯。若特定應(yīng)用要求在極寒冷的環(huán)境下驅(qū)動LED，則正向電壓增加時，會降低低輸入電壓的亮度。

　　實現(xiàn)極小型LED驅(qū)動器　解決方案

　　一般驅(qū)動多重WLED的方法是將這些WLED串聯(lián)，然后以電感升壓轉(zhuǎn)換器或電荷泵浦驅(qū)動串聯(lián)串列，對于需要較高正向電壓的較高WLED電流而言，此為絕佳的方法。然而，如前所述，并不是所有的WLED驅(qū)動器應(yīng)用都需要升壓轉(zhuǎn)換器，低電流WLED應(yīng)用的較簡易且較低成本驅(qū)動器為極小型TPS75105 LED驅(qū)動器IC。

　　TPS75105屬于線性電源，包含極低的28毫伏特漏失電壓，適用于驅(qū)動分為個別兩組的四個平行WLED，此裝置在個別啟動的兩組中提供四個2%相符電流路徑，採用極小型9球1.5平方毫米晶圓級晶方尺寸封裝（WCSP），毋需任何外部元件，即可使用預(yù)設(shè)電流輸出，因此體積縮小為1.5平方毫米。圖3顯示TPS75105的應(yīng)用電路。

　　圖3　TPS75105應(yīng)用電路

　　乍看之下，使用低漏失線性電路似乎不切合實際，因為線性穩(wěn)壓器（LDO）一直存在效能不彰的問題。事實上，一般都對于LDO存在誤解，LDO效率完全根據(jù)輸入/輸出電壓比而定，因此驅(qū)動WLED的效率相當(dāng)高，如以3.6伏特鋰電池的輸入電力驅(qū)動3伏特WLED，能夠達到83%的LED效率。圖4顯示鋰電池範圍內(nèi)，多種不同WLED正向電壓的TPS75105效能。TPS75105的LED效率不亞于甚至優(yōu)于其他WLED驅(qū)動器解決方案。

　　圖4　TPS75105 LED效率

　　圖5顯示鋰電池放電曲線上TPS7510x LED效率。在所有叁條曲線中，整個放電範圍的平均效率都超過80%，并且在WLED為3.3伏特時達到90%。由于本文著重于低電流應(yīng)用，因此只要輸入電壓足夠，TPS7510x便能夠使各個LED達到25毫安培。這些應(yīng)用都具有極小體積尺寸的優(yōu)點。

　　圖5　鋰電池放電曲線上的TPS7510x LED效率

　　評估LED驅(qū)動器應(yīng)用時，必須特別考量應(yīng)用需要多少電流。若需要的電流遠低于應(yīng)用WLED正向電壓（VF）規(guī)格的電流，則必須檢查WLED資料表I-V曲線，決定應(yīng)用的實際VF。該應(yīng)用可使用TPS75105之類的低漏失線性電源，以縮小體積并降低成本，同時不減損切換升壓轉(zhuǎn)換器的效率。