各种白光LED驱动电路特性评比

　　1996年日亚化学的中村氏发表蓝光LED之后，白光LED就被视为次世代照明光源最具发展潜力的组件，因此有关白光LED的性能改善与商品化应用，立即成为各国研究的焦点。目前白光LED已经分别应用在公共场所步道灯、汽车照明、交通号志、可携式电子产品、液晶显示器等领域。由于白光LED还具备丰富的三原色色温与高发光效率，一般认为非常适用于液晶显示器的背光照明光源，因此各厂商陆续推出白光LED专用驱动电路与相关组件，有鉴于此本文接着要探讨各种白光LED专用驱动电路的特性，与今后的发展动向。

    定电流驱动的理由 

    白光LED使用电流驱动的理由主要两项，分别是:

    1.白光LED的光度是以顺向电流规范

    白光LED的顺向电压通常被规范成「20mA时，最小为3.0V，最大为4.0V」，换言之若单纯施加一定的顺向电压时，顺向电流会作大范围的变化。

    图1是从A、B两家LED厂商的产品中随机取样三种白光LED，进行顺向电压与顺向电流特性检测的结果。根据检测结果显示若利用3.4V顺向电压驱动上述六种白光LED时，顺向电压会在10mA～44mA范围内大幅变动。

    由于白光LED的光度与色度是以定电流方式量测，为获得预期的亮度与色度，所以通常是用定电流驱动。
　
　　2.日亚NSCW455白光LED的电气特性是以Iv=20mA 条件测试时可以预估光度与色度，因此建议以定电流方式驱动。

    (a)白光LED的电气与光学特性(Ta=250C ) 　
 
　　(b) 光度坐标的等级(rank)(IF=20mA，Ta=250C)

    表1 实际白光LED的规格

    2.避免顺向电流超越容许电流值

    有关白光LED的可靠性，基本上就是需设法避免顺向电流超过白光LED的绝对最大设计值(定格值)。如图2所示白光LED的定格最大顺向电流为30mA，随着周围温度的上升，容许顺向电流则持续衰减，如果周围温度为500C的话，通常顺向电流就不能超过20mA。此外利用定电压的驱动方式不易控制流入LED的电流值，因此无法维持LED的可靠性。　

    白光LED的驱动方法

    图3是驱动白光LED常用的四种电源电路；图4是上述六种随机(random)取样白光LED，稳定化后的Regulation精度特性。根据图4的测试结果显示，Regulator的负载特性出现在白光LED的VF角落(curve)上，也就是说图中的交叉点就是各白光LED的稳定动作点。

    a.使用电压Regulator的驱动方式

    图3(a)的电路分别使用可以控制LED电流的电压Regulator与Ballast电阻，这种电路的优点是电压Regulator种类非常丰富，设计者可以选择的自由度较多，而且与电压Regulator、LED的接点只有一点；反面缺点是Ballast造成的电力损失会导致效率恶化，此外LED的顺向电流也无法获得精密控制。

    如图4(a)所示随机取样六个白光LED的顺向电流，从14.2mA到18.4mA分布范围非常宽广，因此A厂商的LED的(平均值)顺向电流高达2.0mA比厂商A更高，藉此方式试图使LED作高亮度发光；相较之下图4(b)电路使用的Regulator，虽然具有小型、低成本等优点，反面缺点是可能会有无法满足性能与可靠性之虞，也就是说本电路的实用性相对的比较容易遭受质疑。

    b.使用定电流输出的电压Regulator驱动方式

    图3(b)的电路虽然可以使流入LED的所有电流稳定化，不过为了匹配(matching)各LED的电气特性，因此电路中特别设置一组Ballast电阻。

    图中的MAX1910属于定电流输出型的电压Regulator，虽然本电路使用同厂商、同批号(lot)的白光LED，获得极佳的匹配性，不过若使用不同厂商与批号的LED时，就会出现很大的特性差异分布。本电流Regulator使用类似图3(a)的方式控制驱动电流，不过它却可以使Ballast电阻的消费电力降低一半左右。

    根据图4(b)的测试结果显示，流入六个随机取样白光LED的电流，从15.4mA到19.6mA变化范围非常大，因此A厂商与B厂商两者的LED是以平均17.5mA的电流驱动。本电路的缺点是Ballast电阻造成的电力损失有残留之虞，而且又无法获得LED电流的匹配性；不过整体而言本电路兼具动作特性与简洁性，所以具有相当程度的实用价值。　 

    c.使用输出型的Multi Pull电流Regulator驱动方式

    图3(c)的电路可以使流入LED的电流各自稳定化，因此不需要使用Ballast电阻，电流的精度与匹配性Regulator，则由各自的电流Regulator支配。

    图中的MAX1570 IC可以使上述电流regulation达成2%标准的电流精度，与0.3%标准的电流匹配性等目标。

    由MAX1570 IC构成的电流Regulator为低drop out type，因此它的动作效率非常高。根据图4(c)的测试结果显示，使用图3(c)的驱动电路时，流入六个随机取样白光LED稳定化的电流为17.5mA。

    虽然Regulator与LED之间需要四个连接端子，不过本电路不需要Ballast电阻，所以可以有效抑制封装面积，因此非常适合应用在封装空间极为狭窄的小型液晶面板等领域，此外它的电路特性可以媲美接着要介绍的电路。

    d.使用升压型电流Regulator驱动方式

    图3(d)的电路是利用可以使电流稳定化的电感(inductor)，构成所谓的高效率step up converter。本电路的最大特色是低feed back threshold电压，可以降低电流检测用电阻的电力损失，此外LED采用串联方式连接，所以流入白光LED的电流即使是在各种要求下，都能够与LED完全取得匹配。

    有关电流的精度，基本上取决于Regulator的feed back threshold精度，因此不会受到LED顺向电压的影响。

    由MAX1848与MAX1561 IC构成的电流Regulator，它的效率(PLED/PIN)分别是:

    三个LED+MAX1848----------87%
    
    六个LED+MAX1561----------84%

    step up converter的另一优点是Regulator与LED之间需要二个连接端子，而且LED的使用数量不会受到step up converter种类的影响，这意味着设计者拥有更大的选择空间，因此step up converter广泛应用在各种尺寸液晶面板；电感外形高度、组件成本偏高，以及EMI辐射干扰则是电路的反面缺点。

    结语

    以上介绍白光LED常用的驱动电路，并透过实验方式深入探讨各电路实际动作时的优特性。由于LED的结构限制，因此会有波长与驱动电流精度不易控制等困扰，随着白光LED背光模块应用的需求不断增加，如何改善上述波长与电流精度问题，同时降低驱动电路的制作成本，成为相关业者必需克服的课题。