白光發(fā)光二極管 (WLED) 應(yīng)用相當(dāng)普遍，主要原因在于白光發(fā)光二極管可用于提供便攜式電子產(chǎn)品顯示器的背光。一般認(rèn)為單一 WLED 需要 4 V 的驅(qū)動電壓。由于鋰電池提供 3.6 V 的電壓，因此一般業(yè)界認(rèn)定需要升壓轉(zhuǎn)換器 (step-up converter) ，才能以單節(jié)鋰電池為 WLED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，因此需要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) 范圍介于 3.2 至 3.5 V 之間，最大范圍則介于 3.7 至 4 V 之間。資料表通常針對大約 15 至 25 mA 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 TPS75105 這款全新的 LED 驅(qū)動器為例，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。
LED 正向電壓
WLED 與其它標(biāo)準(zhǔn) 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(shí)，會以 WLED 的正向電壓提升正向電流。圖 1 顯示兩個(gè) 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(shí)，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 V，正向電流為 20 mA，處理過程及溫度變化中最高出現(xiàn) 3.7 V。從其中可看出應(yīng)用需要升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，才能以單節(jié)鋰電池的 3 至 4.2 V 輸出驅(qū)動 WLED。然而，實(shí)際狀況并非如此。以 5 mA WLED 電流應(yīng)用為例，圖 1a 的曲線顯示驅(qū)動 5 mA 所需的正向電壓大約是 2.9 V，這遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)表顯示的驅(qū)動 20 mA 所需一般電壓，因此，只需使用 3.6 V 鋰電池即可驅(qū)動 2.9 V 輸出電壓，完全不需要升壓轉(zhuǎn)換器。
WLED 的規(guī)格涵蓋了批次間程序及制作變化的一般值及最大值。數(shù)據(jù)表提供的 I-V 曲線通常是零件符合一般規(guī)格的情況。雖然曲線形狀對于制作的各零件都有效，然而視個(gè)別裝置的不同測試條件，曲線會偏右或偏左。如果使用前例中相同零件編號的其它 LED，在一般測試條件 (20 mA 正向電流) 下測出的正向電壓為 3.7 V (額定上限)。這個(gè)電壓比一般裝置高出 0.5 V，這表示需要 3.4 V (2.9 V 加上 0.5 V) 的最大正向電壓，才能以 5 mA 驅(qū)動這個(gè) WLED。根據(jù)應(yīng)用的截止電壓，不需要使用升壓轉(zhuǎn)換器，便能夠以 5 mA 驅(qū)動這個(gè)特殊 WLED。借由這項(xiàng)技巧可判斷任何應(yīng)用的最大正向電壓。
溫度變化有何影響？
某些應(yīng)用要求 WLED 在極端溫度的嚴(yán)峻環(huán)境下運(yùn)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(qiáng)烈。圖 2 中來自一般 WLED 數(shù)據(jù)表的圖形顯示正向電壓與溫度兩者之間的關(guān)系。
圖 2. 正向電壓與溫度之間的關(guān)系 (Nichia 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 mA 曲線顯示，從室溫 (25°C) 變化至額定上限溫度 (85°C) 時(shí)，正向電壓大約降低 0.1 V。判斷所需的正向電壓時(shí)，應(yīng)將此納入考慮，不過其中的影響不甚明顯。如果特定應(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(shí)，會使得低輸入電壓的亮度降低。
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)換器或電荷泵驅(qū)動串聯(lián)串行。對于需要較高正向電壓的較高 WLED 電流而言，這是絕佳的方法。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。用于低電流 WLED 應(yīng)用的簡易、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 mV 漏失電壓，適用于驅(qū)動分為單獨(dú)兩組的四個(gè)平行 WLED。此裝置在單獨(dú)啟動的兩組中提供四個(gè) 2% 相符電流路徑。此裝置采用極小型 9 球 1.5 平方毫米芯片級封裝 (WCSP)，不需要任何外部組件，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。值得一提的是，TPS75105 是德州儀器所提供其中一種成本最低廉的 WLED 照明解決方案，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(shí)際，因?yàn)榫€性調(diào)節(jié)器一直存在效率較低的問題。事實(shí)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。例如，以 3.6 V 鋰電池的輸入電力驅(qū)動 3 V WLED，能夠達(dá)到 83% 的 LED 效率。圖 4 顯示鋰電池范圍內(nèi)多種不同 WLED 正向電壓的 TPS75105 效率。TPS75105 的 LED 效率不亞于甚至優(yōu)于其它 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。在所有三條曲線中，整個(gè)放電范圍的平均效率都超過 80%，并且在 VLED 為 3.3 V 時(shí)達(dá)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(gè) LED 達(dá)到 25 mA。這些應(yīng)用都具有體積尺寸極小的優(yōu)點(diǎn)。
圖 5. 鋰電池放電曲線上的 TPS7510x LED 效率
結(jié)論
評估 LED 驅(qū)動器應(yīng)用時(shí)，必須特別考慮應(yīng)用需要多少電流。如果需要的電流遠(yuǎn)低于應(yīng)用 WLED VF 規(guī)格的電流，則必須檢查 WLED 數(shù)據(jù)表 I-V 曲線，決定應(yīng)用的實(shí)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(shí)不降低切換升壓轉(zhuǎn)換器的效率。