Ｂｅｒｎｉｅ Ｗｅｉｒ（安森美半导体）
随着彩色液晶显示器逐步取代单色显示器的时代潮流，白光ＬＥＤ作为一种微型“广谱”发光器件，也在ＬＣＤ背景照明光源这一技术领域，特别是在移动电话、掌上电脑以及手持式仪表等小型电子设备中开始得到应用。
以往用于ＬＣＤ背景光源的发光器件主要有冷阴极荧光灯（ＣＣＦＬ）和场致发光器件（ＥＬ，亦称“场致灯”），两者均以交流电源供电，所需电压自近百伏至数百伏不等，与之相配的逆变驱动电源工作频率常在０．５～４０ｋＨｚ范围、相形之下，白光ＬＥＤ为低压直流器件，本身不会产生电磁干扰；即令采用逆变升压方式供电，其驱动电路也仅需少量外围元件，而且工作频率选择范围甚广而不致影响ＬＥＤ的发光性能，故而一则可以节省印板面积而有利于整个设备的小型化，二则易于避免各部件间的电磁干扰而便于设备的整体布局。
可以用作白光ＬＥＤ驱动电源的集成器件品种较多，大致分属恒流源、电荷泵和开关电源三种类型。本文便将分类介绍一些典型的驱动器件，对其电路结构、工作原理与技术性能进行简要的分析讨论。
1恒流源
绝大多数ＬＣＤ背景照明装置配有亮度控制器以便用户根据环境光线的强弱进行相应调节。由于发光二极管的光子发射源于电子一空穴对的复合，故其发射速率以及发光强度均与二极管的正向电流成比例。由此看来，可控恒流源应是实现亮度控制最简单的方案；可惜白光ＬＥＤ的“色温”也同工作电流直接有关，这类控制方案会使光源在整个亮度调节范围内的颜色一致性变得很差，故而仅能用于按纽照明之类对于颜色保真度要求很低的场合，ＬＣＤ背光装置则大多采用脉宽调制（ＰＷＭ）电源为ＬＥＤ供电以避免这一“色偏”问题。
从实用的角度来看，对于电源电压较高的车载设备之类，由于多个ＬＥＤ可以串联使用，所以采用配有脉宽调制器的集电极开路（ＯＣ）或电流镜输出级即可构成简单的ＬＥＤ驱动器，图１便是应用实例之一。图中，数控电位器ＩＣ１（Ｘ９Ｃ１０４，１００ｋΩ；Ｘｉｃｏｒ）用作亮度调节器，双单稳触发器ＩＣ２用作脉宽调制器，三个晶体管则构成电流镜开关输出电路。不难看出，整个驱动器的脉冲周期取决于时间常数Ｒ１Ｃ１，脉冲宽度取决于时间常数（ＲＩＣ１＋Ｒ２）Ｃ２，后者与前者之比即为脉冲占空系数。
在电源电压较为有限的应用场合，多个ＬＥＤ只能以并联方式工作。此时，按照传统的设计方法，通常须为每个ＬＥＤ配备独立的限流电阻，借以克服ＬＥＤ正向压降一致性甚差以致不可直接并联工作的弊端；不过目前多已改用集成恒流源为ＬＥＤ供电，如此可以消除电源电压变动所造成的不利影响；ＭＡＸ１９１６（Ｍａｘｉｍ）与ＬＸｌｌ９０（Ｍｉｅｒｏｓｅｍｉ）便是两种较为常见的恒流源集成电路。
图２是ＭＡＸ１９１６的应用电路。从中可以看出，该器件为三路电流镜输出，镜像电流比为２３０。器件的输出电流或者说ＬＥＤ的亮度可由两条途径调整，其一是选配电阻ＲＳＥＴ以设定电流镜的基准电流；其二是在使能（ＥＮＡＢＬＥ）端施加占空比不同的脉宽调制信号。基准电流的设定范围为５～２６０μＡ，大致相当于每路输出ｌ～６０ｍＡ；使能端实际上是片内欠压锁定、电压基准和误差放大器等电路的电源输入端，但其耗电仅为１００μＡ，该器件可以２．５～５．５Ｖ电源工作，片内带有过热保护电路，处于关断状态时整个器件牦电不到１μＡ。
ＬＸ１９９０的功能与ＭＡＸ１９１６大致相同，但其只有两路输出，每路０．ｌ～３０ｍＡ，最高工作电压１２Ｖ，饱和压降０．４Ｖ。电流设定电阻由片内电压基准供电，镜像电流比为１００；脉宽调制信号的亮度凋节范围可达５００１。整个器件的静态与关态电流分别为４ｍＡ与１μＡ。
2 电荷泵
白光ＬＥＤ的正向压降可以高达４Ｖ上下，但是当前甚为流行的大量手持电子设备多以单一锂电池供电，可知此时已经无法再由设备电源直接驱动ＬＥＤ而必须借助于各类电源变换器件。
可以用作白光ＬＥＤ驱动器的电源变换器件包括不少种类，其中应以电压输出型电荷泵电路最为简单。此类器件的典型应用，不妨以ＬＭ３３５４型开关电容变换器（ＮＳ）为例予以说明，可参见图３。该器件的电源电压范围为２．５～５．５Ｖ，输出电压有一系列标称值可供选择，一般认为用作白光ＬＥＤ驱动器时以选用标称输出电压为４．１Ｖ者较为恰当。器件的开关工作频率为１ＭＨＺ，故而可以采用容量较小的开关电容器；最大输出电流９０ｍＡ，带有片内过热保护电路，静态与关态电流分别为４７５μＡ与５μＡ。控制ＬＥＤ亮度的脉宽凋制信号可由器件的关断控制（ＳＤ）端送入，其重复频率应在６０Ｈｚ以上以免ＬＥＤ产生闪烁现象，但也不宜超过２００Ｈｚ以保证开关电容器具有足够的放电时间。
ＬＴＣ３２００－５（ＬＴ）与ＳＣ６００（Ｓｅｍｔｅｃｈ）亦属电压输出型电荷泵集成器件，前者同ＬＭ３３５４结构相似但体积较为小巧而且仅需一个开关电容；工作电压３～４．４Ｖ，上作频率２ＭＨｚ，输出电流可达１００ｍＡ惟其５Ｖ额定输出电压稍嫌偏高因而限流电阻压降亦稍偏大，对其整体电源变换频率多少有所影响。后者包括４～４．５Ｖ／１２０ｍＡ与４．５～５Ｖ／６０ｍＡ多种输出规格，电源电压范围稍宽为２．７～６．５Ｖ利用“引脚编程”方式切换工作频率，在８～６５０ｋＨｚ范围内共分四档，由此可以调整输出电流。其最大特色在于电源电压超过某个阈值时会自动切换内部电路结构以取得更高的电源变换频率，该阈值具有８０ｍＶ的“回差”以防切换过于频繁而造成较大的输出纹波。
如前所述，白光ＬＥＤ以恒流源供电有利于抑制电源电压变动所造成的不利影响，目前也确有不少电流输出型电荷泵电路可供选用，ＬＴＣ３２０２（ＬＴ）便是其中之一，其应用电路如图４所示。从中可以看到．电流采样电阻由限流电阻之一兼任，反馈阈值电压则可由“引脚编程”方式设定为２００、４００或６００ｍＶ（第四种编程组态为“关断”）；与前述其它器件相似，若以ＰＷＭ信号令其间歇进入关断状态，便可平滑凋节ＬＥＤ之亮度而不致产生明显的“色偏”。器件工作频率为１．５ＭＨｚ，电源电压为２．７～４．５Ｖ时最大输出电流为１２５ｍＡ．据称可以同时驱动八个白光ＬＥＤ。结构特性与之相近者尚有ＭＡＸ１９２（Ｍａｘ－ｉｍ），该器件亦由限流电阻采集负载电流信号以构成电流控制环，但其最大输出电流仅为６０ｍＡ，工作频率７５０ｋＨｚ，反馈阈值２００ｍＶ。
另有一类电流输出型电荷泵如ＬＭ２７９４（ＮＳ）以电流镜作为输出级因而可以省去限流电阻但会增加器件功耗。ＬＭ２７９４具有四路电流输出，每路２０ｍＡ；若欲调整ＬＥＤ亮度，仍可在其关断控制端加入脉宽调制信号，也可采用引入外部电流的方式改变其反馈阈值。器件电源电压范围为２．７～５．５Ｖ，电压超过大约４．７Ｖ时会自动切换内部电路，改以“直通”方式工作；该切换阈值也有２５０ｍＶ左右的回差以防输出纹波恶化。值得一提的是，该器件的外形尺寸仅为２×２．４×０．８４ｍｍ３，算得上是同类器件中体积最小者，Ｓ８８１３（Ｓｅｉｋｏ）同ＬＭ２７９４结构相近，但恒流原理属脉冲频率调制型。这种恒流方式对于变换效率的提高叮能有些好处，但也会给开关噪声的抑制带来一些麻烦。器件的典型工作频率约为６００ｋＨｚ，具有三路电流输出，每路５～１８ｍＡ。
3开关电源
上述各类电荷泵均以电容器作为储能元件，但以升压式开关电源作为白光ＬＥＤ驱动器者也不在少数；事实上，此类以电感器作为储能元件的装置，在电压提升的效能方面往往还可胜过前者。用作ＬＥＤ驱动器的开关电源多为电流输出型，其基本电路如图５所示，工作原理则可以ＭＡＸ１８４８（Ｍａｘｉｍ）为例予以对照说明。
目前，小功率集成开关电源多已带有作为功率开关的片内ｎ沟道ＭＯＳＦＥＴ，但是储能电感通常仍需外接。图５中，小阻值电流采样电阻将流经ＬＥＤ的负载电流转换为反馈电压送入片内的误差放大器，同片内的基准电压比较后再经脉宽调制控制功率开关的通断，从而使负载电流基本保持恒定。ＭＡＸ１８４８的开关频率为１．２ＭＨｚ；以２．６～５．５Ｖ电源工作时，最高输出电压可达１３Ｖ，足以驱动２～３个串联的白光ＬＥＤ。必要时，该器件还可同时驱动三路并联负载，每路负载包括两个串联的ＬＥＤ。当然，此时需要配用三个采样电阻，各路负载的电流匹配情况也不甚令人满意。
另一种小功率集成开关电源ＬＴ１９３７（ＬＴ）的片内功率开关耐压高达３６Ｖ，可以驱动六个白光ＬＥＤ串联组成的单路负载。采样电阻压降约为１００ｍＶ，凋整其阻值可将输出电流设定为５～２０ｍＡ。ＬＥＤ的亮度凋整，仍可采用在反馈节点引入外加控制电流或将脉宽调制信号送入关断控制端这两种方法。
属于同类器件者还有ＬＭ２７０４（ＮＳ）与ＬＸ１９９３（Ｍｉｃｒｏｓｅｍｉ），前者可以２．２～７Ｖ电源工作，最高输出电压２０Ｖ，输出电流２０ｍＡ，驱动能力为两路共计八个白光ＬＥＤ；其特点在于片内功率开关峰值电流可达０．５Ａ．导通电阻仅有０．７Ω，故而电源变换效率较高，同时易于解决小型封装颇为棘手的器件散热问题。后者能以２０ｍＡ的输出电流驱动单路四个白光ＬＥＤ，其长处在于电源电压可以低至１．６Ｖ。
4应用发展
不言而喻，无论车载、便携还是手持电子设备的设计，电源效率都是一个不可忽视的重要问题；然而对于白光ＬＥＤ驱动电路来说，各类集成器件变换效能的比较看来并不那么简单。按照常规，器件生产厂商提供的电源变换效率指标均定义为输出电功率与输入电功率之比，但是白光ＬＥＤ的正向压降往往可以相差数百毫伏之多，足以影响其实际消耗功率在驱动器件输出总功率中所占的比例。换言之，白光ＬＥＤ驱动电路中消耗于限流电阻或电流镜输出管压降之类的无用功率对于实际的电源变换效率往往具有很大影响，采用不同电路结构形式的驱动器件时尤为显著。有人据此提出，测定ＬＥＤ工作于特定正向电流时的电源输入功率，才是比较驱动电路变换效率的可靠方法。
一般说来，采用多个ＬＥＤ串联使用的方案有利于提高驱动电路的整体效率，但在实际应用时这一方法将会受到两方面的限制。其一，驱动电路的最高输出电压通常较为有限，所以同一支路中ＬＥＤ的串联个数不可能太多；其二，白光ＬＥＤ产品的一致性目前仍难令人满意，同一支路中通常须用同一厂商同一生产批次的ＬＥＤ才能保证整个照明面积具有足够均匀的照度。
其实，提高驱动电路变换效率的余地可说已经相当有限，然而白光ＬＥＤ本身的发光效率看来却还大为潜力。所调的白光ＬＥＤ，其实是利用一种作为其管芯的蓝光ＬＥＤ所发出的短波长紫蓝光，激发涂布于输出光学透镜内壁的荧光材料，进而产生波谱较宽的白色复合光。由此可见，白光ＬＥＤ的紫蓝光管芯、荧光材料乃至光学透镜均可影响其发光效率。最近有家白光ＬＥＤ生产厂商（Ｎｉｃｈｉａ）宣布，其新一代产品ＮＳＣＷ２１５系列之发光效率较诸上一代整整提高了５０％，ＬＥＤ本身性能的提升潜力由此可见一斑。另外，该公司在大功率ＬＥＤ的开发方面亦有所进展，目前已经研制成功正向电流达到数百毫安的发光二极管，在作为交通信号之类适应白昼使用的照明指示光源方面颇有竞争力。
鉴于白光ＬＥＤ在ＬＣＤ背景照明领域的应用前景，现下已有相关的组件产品见诸于市场。如有一种ＭＴＧ－Ｆ２４０６４ＦＭＮＨＳＧＷ液晶显示器组件（ＷＴＳ），采用２４０×６４像素的液晶显示屏和Ｔ６９６３Ｃ型显示控制器（东芝）井以白光ＬＥＤ作为背景光源；若再配上电源变换器（可选件），整个组件便可以５Ｖ单电源供电；液晶屏有效显示面积１３２ｘ３９ｍｍ２，点距０．５ｌｍｍ。
为方便对照比较，现将本文述及之集成驱动器件主要技术特性，统一列入下表。
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