白光LED驱动器－在串联及并联应用之比较

在可携式电子产品应用极为广泛的白光LED，通常需要一组可将电池电压升高的驱动器才能运作，目前市面上常见的驱动器大约可分为并联式及串联式两种，本文将分析此两种驱动方式的优缺点，并举例说明此两种方式之解决方案，再进一步针对调光方法做介绍。

近几年行动电话（Cellular phone）、PDA（Personal Digital Assistant）、数字相机（Digital Still Camera）等携带式产品的屏幕都已彩色化，并且能进行更生动的显示方式。犹记得前几年笔者就学时期，电视还在广告一款手机可由来电显示的颜色分辨是不是情人来电，当时如果同学间能有一款像这样的手机，便已是大家瞩目的焦点，没想到才过短短两三年，手机屏幕不只能以彩色动画方式显示、可在上面玩游戏，还可将手机及数字相机结合、利用手机来照相，实在无法不令人赞叹科技发展之迅速。

这些屏幕之所以能有如此迅速的发展，全需归功于白光LED背光模块的出现，而白光LED也逐渐成为这些电池驱动的携带式产品不可或缺的零件，但以手机而言，单纯一颗锂离子电池的电压（3.0V～4.2V）并无法供给需有3.6V顺向电压的白光LED，因此我们需要一组可以将电池电压升压并使其顺利推动白光LED的驱动器。目前市面上常见的驱动器大约可分为并联式及串联式两种，本篇文章即是分析此两种驱动方式的优缺点，并举例说明此两种方式之解决方案，再进一步针对调光方法做介绍。

白光LED之驱动模式

并联模式－充电泵转换器

(图一)为并联模式的解决方案，AIC1845是一个充电泵转换器，它可以提供一定电压给白光LED而不需考虑其顺向电压。这种方式有几个特性：首先，只需三个电容就可以从2.7V～5.0V 的输入电压得到稳定的5V输出电压，完全不需电感，所占的体积也很小，适合使用于轻薄短小的手机；另外，由于他不需使用电感的关系，也就没有一般转换器最头痛的线圈噪声问题。对手机而言，最怕的电磁干扰问题也就不存在了。

图一　白光LED驱动器之并联模式

然而这种方式也有几个缺点：第一，虽然它可以提供一个比其顺向电压大的定电压给白光LED以顺利驱动，但对白光LED而言，其出厂时之顺向电压多少会有差异，而这些差异也造成了白光LED亮度不一的情形。第二，由于充电泵转换器的动作特性，其输出电压会是输入电压的两倍；也就是说对单颗锂离子电池而言，假设其最高电压为4.2V，若使用充电泵转换器且在没有稳压的情形下，其输出电压应为8.4V，而为了要得到稳定的5V输出电压，需将这些多出来的电压牺牲掉，这些被牺牲掉的电压也就造成此种模式输入电压越高，效率越低的主要原因。

串联模式──电感式升压转换器

(图二)为串联驱动器之解决方案，它可以提供一个定电流给LED，如同一般的升压转换器，它需要一个电感及整流器以达到升压效果。这种方法几个特性：首先，由于LED是以串联的形式接成的，对 LED而言所流过的电流都一样，因此LED的亮度也会相同；第二，由于升压型转换器在其最大责任周期内可以有适当的升压比，他可以提供一个足够大的电压以驱动LED，因此藉由这种方式来驱动的LED可以有较高的效率。

和并联模式一样，串联模式也有其缺点。由于这种模式需要电感及其它外部组件方能达到升压稳压的效果，需要的组件比较多，对小型携带式产品而言所占用的体积太大了。
　

　
 
图二　白光LED驱动器之串联模式

驱动器之动作原理

充电泵──AIC1845

AIC1845是一个充电泵转换器，它可以将2.7V～5.0V的输入电压升压，并提供一个稳定的5V输出电压。(图三)为其内部构造的示意图，其内部主要是由两组共4个开关所构成，当回馈电压（VFB）高于参考电压（VREF）时，控制器将开关1关闭，并将开关2打开，此时输入电压对CFLY充电至VIN，而负载所需之能量由输出电容COUT来提供；当输出电容的能量逐渐消耗，输出电压也随之下降。当VFB低于VREF时，控制器将开关1打开并将开关2关闭，此时输入电压会透过CFLY对COUT充电；在前一阶段跨在CFLY两段的电压等于输入电压，因此在这一个阶段COUT会储存相当于两倍的输入电压，内部的两个分压电阻会将输出电压稳在5 V。(图四)为充电泵的等效电路图。

 
图三　AIC1845内部构造图
　
　
 
图四　充电泵之等效电路图

电感式升压转换器－AIC1896

AIC1896是一个脉冲宽度调变（Pulse-Width-Modulation；PWM）控制之升压型转换器，它可以提供一个定电流以驱动白光LED。(图五A)为升压转换器之等效电路图，当开关SW关闭时，电感L开始储存能量，此时负载端需求的能量是由输出电容所提供的，其等效电路如(图五B)所示，当开关SW打开时，原本储存在电感里的能量会连同输入电压的能量一同对输出电容充电，其等效电路如(图五C)所示。

图五　升压转换器之等效电路
　
(图六)为AIC1896的内部构造示意图，PWM是其主要的控制模式。(图七A)描述PWM的控制方式，控制讯号VC是回馈电压（VFB）和参考电压（VREF）的比较结果，而VC会再与1.4MHz的连续三角波（VST）做比较，如果VC比VST大则切换讯号为High，反之为Low，再用此切换讯号来控制内部N-MOSFET的ON/OFF。(图七B)为PWM控制的切换波形。
　
　
 
图六　AIC1896内部构造图
　
　
 
图七A　 PWM控制示意图

　
　 
图七B　 PWM控制之切换波形

图二为白光LED之串联解决方案，流过LED的电流（ILED）可以由下式求得：

ILED=VFB/RI----------------（公式一）

其中VFB为AIC1896之参考电压，其值为1.23V。而其输出电压可以由下式求得：

VOUT=∑VLED+VFB----------------（公式二）

其中VLED代表所有白光LED的顺向电压降。

要注意的是，如果LED空接或有坏掉的LED存在的话，回馈电压会变成0V。此时IC的责任周期全开，其输出电压有机会上升到AIC1896之最大耐压而对IC造成损害，因此我们需要一个Zener二极管以避免这种情形的发生。此Zener二极管的额定电压可选择约等于IC之最大耐压。另外，为了怕流过Zener二极管的电流太大会对其产生损害，我们需要一个电阻R2来限制流过二极管的电流，且让此电流大于Zener二极管的崩溃电流。

亮度控制

之前已略为提过流过LED的电流大小会影响其亮度，因此我们可以利用这个原理来达成LED的亮度控制。以下将叙述几个应用在并联及串联白光LED驱动器上的亮度控制。

充电泵转换器－AIC1845

如(图八)所示，在并联LED的应用上，我们可以将一个频率为50Hz～100Hz的PWM讯号接至AIC1845的 pin上，利用调整其责任周期来达到亮度控制的目的。当PWM讯号为High，则IC动作，连带会有电流流过LED，反之则不会。如果将PWM的责任周期调至100％，则LED的亮度最大﹔如果调小，则亮度减弱。

　
 
图八　并联驱动器之亮度控制

电感式升压转换器──AIC1896

在串联LED的应用上，其亮度控制有较多的选择：

使用PWM讯号

和并联LED驱动器一样，我们可以将一个频率为1kHz～10kHz的PWM讯号接至AIC1896的 pin上，或透过一个电阻接至FB pin上。如果使用前一个方法，如(图九A)所示，则增加责任周期即是增加其亮度。如果使用第二个方法，如(图九B)所示，责任周期的增加反而会减少其亮度。

 
图九　藉由PWM讯号来做亮度控制
　
使用一组直流电压

另外我们可以藉由在FB pin加一组直流电压来影响跨在R1上面的电压，进而改变流过LED的电流。如(图十)所示，当R3的电压降增加的时候，在R1两端的电压降就会减少，进而减少流过LED的电流（ILED）。在决定R2和R3的电阻值的时候，要注意的是必须使从电压源VDC流出的电流远小于流过LED的电流，但远大于FB pin 的偏压电流（Ibias）。
　
 
图十　藉由一组直流电压来做亮度控制
　

使用一组滤波后的PWM讯号

一组滤波后的PWM讯号也可以用来控制亮度，它可以用来替代图十中的VDC。当PWM的责任周期增加，就等于VDC的电压增加进而降低LED的亮度。(图十一)为其接线图。

图十一　藉由一组滤波后的PWM讯号来做亮度控制

白光LED之效率比較

如同我們之前提過的，如果充電泵轉換器的輸出電壓沒有穩壓的話，其輸出電壓會是輸入電壓的兩倍，因此我們也可以假設其輸入電流是輸出電流的兩倍，如果這個關係式成立的話，並聯驅動器之LED效率可以定義成：

------------------(公式三)

其中h_LED,series 為並聯驅動器中LED的效率，P_LED,parallel是其損耗功率，V_LED為其順向壓降，而I_LED為流過LED的電流。同樣地，在串聯驅動器應用中，其LED的效率可以定義成：

------------------(公式四)

將(公式一)和(公式二)代入(公式四)，則：

------------------(公式五)


其中h_LED,series為串聯驅動器中LED的效率，而η代表串聯驅動器的效率。

接下來讓我們舉個例子來比較在並聯及串聯LED驅動器中效率的差別。假設要用3.6V的輸入電壓來驅動4顆LED，每顆LED的順向電壓為3.6V，順向電流為20mA。

如圖一所示，在並聯LED的應用中，LED的效率如下式所示：

如圖二所示，在串聯LED的應用中，其輸出電壓為：

V_OUT=∑V_LED+V_FB=(3.6x4)+1.23=15.63V

假設其整體應用線路的效率為80％，則LED的效率可以利用(公式五)計算得到：



依實驗發現，在不同輸入電壓時串聯驅動器的效率比並聯高大約10～27％。

结论

我们观察到在并联LED的应用中，输入电压越高则其效率越低。这左证了我们之前所谈到的关于充电泵的特性。虽然从实验结果中知道串联驱动器的效率比并联式的高，可以大幅延长电池的使用寿命。但并联式也有串联式所没有的优点。例如他的体积小适合用于轻薄短小的手机。使用的组件少等于成本少，这对系统业者而言这也是一个相当诱人的诱因。同时由于不需使用电感即可达到升压的目的，对减少电磁干扰部份也有相当的贡献。本文即是比较此两种驱动法的优缺点，望能提供系统业者一个适当的选择。