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白色发光二极管及其驱动电路

专家
2009-03-17 17:26:13    评分

白色发光二极管及其驱动电路

来源:中电网/无锡市罗特电子有限公司 翁寿松2006-03-09 点击:2881

 

       1前言

       近几年,业界开始大量采用LED替代CCFL和EL作为LCD的背光(背景光照明的简称),与CCFL、EL相比.LED具有如下优点:1)可使LCD色彩更逼真,采用LED背光町提供130%的NTSC色阶,而CCFL仅为70%。色阶的扩充使LCD影像色度更饱和、更逼真;可使LCD厚度更薄,在18英寸LCD模块中,LED背光厚度为4mm~6mm,CCFL为8mm~12nm;3)寿命长,可达5万小时

;4)符合环保要求,LED不含汞,5)与EL背光相比,LED背光不会产生于扰。因此,LED背光广泛用于PC、TV、汽车音响、手机、通信设备、个人数字助理(PDA)和手表等领域,它已成为LCD背光市场的主导产品。

       2002年LED的市场需求量占背光市场总需求量的60%左右,目前,有绿、红、蓝和白色LED作为LCD的背光,由于价格因素,绿色LED居主流,约占LED背光产品的80%。它们的额定电流为2mA~20mA,亮度为600mcd。由于白色LED的成本较高,目前主要用于彩屏手机和彩屏PDA的背光以及汽车仪表的照明。

       2 白色LED的发光机理及特性

       2.1 发光机理

       单芯片白色LED是一种含InGaN活性层的CaN发光二极管,它主要有两种发光机理:一种是结合蓝色LED和黄磷,通过蓝光和磷发射的黄光的混合产生白光;另一种是通过紫外光LED和红、蓝、绿磷的组合产生白光。

       2.2 特性

       白色LED的主要特性有:正向压降为3.5 V;发光效率大于20lm/W,优于白炽灯泡,次于荧光灯(601m/W~100lm/W),2004年,发光效率可提高到60lm/w,接近荧光灯水平,从而可大量用于照明市场;光通量为231m;封装尺寸小。Nichia公司于2003年推出SMD型白色LED,型号为NSCW215,它是一种侧视SMD型白色LED,高度为0.8/1mm,电流为20mA时,亮度达600mcd。Toyoda Gosei公司推出SMD型白色LED,尺寸为3.2 mm×2.8 mm,型号为TG white,电流为20mA时,亮度达100mcd,发光效率为4.5 lm/W~5 lmW。citizen公司采用Nichia公司的白色LED裸片开发出迄今为止世界上最小的白色LED,其厚度为0.55 mm。Nichia公司的非SMD型白色LED的尺寸为11.2mm(宽)×7.2mm(长)×6mm(高),寿命长,达5万小时以上。白色LED在照明市场上的应用前景诱人,为此,世界各国LED厂商加紧开发大功率白色LED,如Nichia公司开发出大功率InGaN LED,功率达1 W~2 W,是现有LED的10倍。美国加州大学固态发光及显示中心计划在2007年前开发出发光效率为200lm/W的白色LED。

       3 白色LED驱动电路" style="text-decoration:underline;color:blue">驱动电路

       目前,白色LED主要用于彩屏手机和彩屏PDA,一个彩屏LCD的均匀背光需要3个~4个或更多的白色LED,智能手机可能需要6个或更多的白色LED。由于白色LED需求的增多。有力地推动了白色LED驱动器市场的增长。据Linear公司电源事业部产品营销经理Tony Armstrong估计:"2003年手机出货量将超过4亿部。其中至少有60%~70%是彩屏手机,此外。还将有1 000部彩屏PDA,市场将有几亿块白色LED驱动器的需求",由于白色LED的正向压降为3.5 V,当单节锂电池相近,因此,需要一个升压转换器来解决白色LED的正向电压问题。目前,升压有两种解决方案:一是电荷泵方式(开关电容器),其优点是占用面积小,但效率低,国家半导体公司推出的白色LED驱动器采用这种开关电容,该公司认为,如果采用升压转换器,当驱动器处于断电状态时就会有漏电流;二是电感开关升压方式,其优点是效率高,但占用面积大。目前,大多数白色LED驱动器厂商都采用电感开关升压方式,如Catalyst公司的CAT32型白色LED驱动器,它工作在1.2MHz的固定频率上,它可增强低电压电池的电压,并自动调整驱动电流,最多可支持4个串联在一起的白色LED。该公司正在开发比CAT32更先进的白色LED驱动器,它可通过MPU对电流进行控制,并集成了无源元件,从而节约了成本。Linear公司推出片上集成肖特基二极管的白色LED驱动器,这样,驱动电路只需两个外部电容器、一个电阻器和一个电感器。而一般白色LED驱动器是集成MOSFET。

       白色LED驱动电路由白色LED驱动器和外围电路(包含晶体管、二极管、电感器、电容器和电阻器等)组成。驱动白色LED需要一个恒流源,电流一般为15mA~20mA。LED的亮度依赖于其正向电流,所以多个白色LED串联使用,可保证流过每个白色LED的电流都相同。正向编置的4个串联白色LED需14V电压,该电压通过升压稳压器来提升单节锂电池(2.7V~4.2V)故称工作电压来获得。图1给出一种单节锂电池(2.7V~4.2V)供电的高效率白色LED驱动电路。图1中的SP6682是一块标准的稳压充电泵电路。它含有一个内部500kHz振荡器,用以正常驱动充电泵电容器?使输人电压提高一倍。图1中的电路不采用电荷泵电容器,而将振荡器的输出加到引脚7上.并驱动Q1的导通和截止。Ql、L1、D1和C1构成一个升压稳压器,使C1两端的电压升高。当该电压超过4个串联的白色LED的正向压降之和时,电流开始启动。白色LED与电流检测电阻器R1串联,形成反馈回路闭合。要使R1两端的压降为最小,就可获得高效率。将R1两端的电压与SP6682的0.3V参数电压比较,可使该驱动电路的效率达87%。通常,市售的集成升压稳压器以1.24V带隙电压作为反馈参考电压,将使Rl两端产生1.24V的压降。从而使转换效率降低7%。SP6682的0.3V参考电压远低于1.24V,而效率的降低与参考电压成正比。MOSFET具有很小的导通电阻和很高的开关速度,这些参数优于其他集成开关

。MOSFET的击穿电压会限制最大输出电压,通过调节该电压以驱动所需几个白色LED的系统。在SP6682的启动引脚6上加一个PWM信号,可使稳压器关闭和重新启动,以精确地控制白色LED的亮度。

                    
                                  图1 单节锂电池供电的高效率白色LED电路" style="text-decoration:underline;color:blue">驱动电路
 

       双节锂电池(6V~8.4V)供电的白色LED驱动电路应当选择的白色LED驱动器,如图2所示。TI公司的TPS61042就是一块适合双节锂电池供电的白色LED驱动器,但TPS61042的输入电压仅为1.8V~6 V,只要巧妙地将TPS61042的输入电压与功率级分开,就能使TPS61042驱动白色LED。将系统3.3V电压接到驱动器的引脚VIN上,驱动器的功率级输入直接连接到双节锂电池上。通常,功率级可连接到低于可需输出电压的任何电压输出端。由于升压拓扑,功率级的输入电压必须低于输出电压,或者电感器和二极管直接将输入电压传送到输出端。引脚SW上的允许最大电压为28 V,限制了功率级的最大输入电压。图2的驱动电路表明,输入电压越高,效率也越高。所以,该驱动电路完全不受其输入电压范围的限制,并能有效地节约系统成本和板极空间,还提高了效率。

               

       对于单节1.5 V电池如何选择白色LED驱动电路。图3回答了这个问题。图3中的比为TI公司的SN74AUClGl4或Fairchild公司的NC7SPl4单栅施密特倒相器。在图3(a)中,接通电池电源时,肖特基二极管D1导通,施密特触发器非稳态多频振荡器开始振荡,当IC1的输出变为高电位时,晶体管Q1导通,电感器L1中的电流开始增大。当施密特触发器输出高电平脉冲结束时,倒相器输出为低电位,Q1截止,L1两端的电压极性反转。由此产生的"逆转"电压立即使Q1的集电极电压升高到超过电池电压,并使串联的白色LED和D2处于正向偏置。只要施密特触发器输出高电平脉冲持续3μs,就可导致大约65 mA的峰值电感器电流,并使白色LED产生极高亮度的白光。即使电池电压小到500mV,相应的33 mA峰值电流仍可使白色LED发出足够亮的白光。如果图3(a)中的D1被PNP晶体管Q2替代,可进一步降低最小启动电压电平,见图3(b)所示。在室温下,这种测试电路仅需650mV的电压就可启动。图3中的白色LED如采用LVmi Ltds公司的Luxeon系列白色LED,其发光亮度较强。如果将L1电感值降到10 μH,电池电压为1 V条件下,图3(b)在Luxeon LXHL-PW01型白色LED中产生220 mA峰值电流,光强度非常大。

                        
 

       由此可见,对于不同尺寸的LCD和不同电池的电压应采取不同的白色LED驱动电路。




关键词: 白色     发光二极管     及其     驱动     电路     背光     电流         

菜鸟
2009-10-28 14:01:36    评分
2楼
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