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完善的設計LED驅動電路 避免元件與系統損害

2007-05-23 作者:admin 來源:照明工程師社區 瀏覽量: 網友評論: 0

摘要: 高亮度LED再跨入成為液晶面板背光光源之后,高亮度LED的話題性熱度,瞬間被市場提升,高亮度LED也從傳統擔任顯示的角色轉變成為光源提供者,來取代傳統的冷陰極管。

前言:高亮度LED再跨入成為液晶面板背光光源之后,高亮度LED的話題性熱度,瞬間被市場提升,高亮度LED也從傳統擔任顯示的角色轉變成為光源提供者,來取代傳統的冷陰極管。

一般而言,絕大多數的中小尺寸面板,都是利用3~10顆的白光LED,采用串連的方式來作為背光光源,甚至于手機或PDA的鍵盤背光也多是利用LED作為輔助照明之用,再加上歐盟對于無汞化的要求,因此對于更新一代的LED的驅動芯片和技術,也就相當地被市場所期待。

由于傳統的冷陰極管是利用交流驅動,所以在整個的驅動線路較為復雜,并且需要INVERTER(反向器),將產品機構中所使用的直流電,轉換成高壓交流電來驅動,所以,在低耗電、電路簡單化、演色要求下,在中小面板的部分,采用白光LED來作為背光源已經相當普及了,并且白光LED除了有體積小、高亮度的優點外,驅動電路也較冷陰極管簡單。在多色LED電路驅動設計部分,大部分都是利用場序交互點燈的驅動方式,藉此得以形成所謂的「Field Sequence」。好處是,可以讓多色LED與液晶面板的Sub-Pixel、彩色濾光片來達到同步,達到更廣的色彩表現范圍,不過就整體結構的部分,需要搭配多色LED重新設計,因為包括,導光板、色轉換電路等等,傳統的部分元件都需要重新開發,雖然原件的材料上沒有太大不同,但是結構上卻需要配合LED的點光源特性重新設計。

前言:高亮度LED再跨入成為液晶面板背光光源之后,高亮度LED的話題性熱度,瞬間被市場提升,高亮度LED也從傳統擔任顯示的角色轉變成為光源提供者,來取代傳統的冷陰極管。

一般而言,絕大多數的中小尺寸面板,都是利用3~10顆的白光LED,采用串連的方式來作為背光光源,甚至于手機或PDA的鍵盤背光也多是利用LED作為輔助照明之用,再加上歐盟對于無汞化的要求,因此對于更新一代的LED的驅動芯片和技術,也就相當地被市場所期待。

由于傳統的冷陰極管是利用交流驅動,所以在整個的驅動線路較為復雜,并且需要INVERTER(反向器),將產品機構中所使用的直流電,轉換成高壓交流電來驅動,所以,在低耗電、電路簡單化、演色要求下,在中小面板的部分,采用白光LED來作為背光源已經相當普及了,并且白光LED除了有體積小、高亮度的優點外,驅動電路也較冷陰極管簡單。在多色LED電路驅動設計部分,大部分都是利用場序交互點燈的驅動方式,藉此得以形成所謂的「Field Sequence」。好處是,可以讓多色LED與液晶面板的Sub-Pixel、彩色濾光片來達到同步,達到更廣的色彩表現范圍,不過就整體結構的部分,需要搭配多色LED重新設計,因為包括,導光板、色轉換電路等等,傳統的部分元件都需要重新開發,雖然原件的材料上沒有太大不同,但是結構上卻需要配合LED的點光源特性重新設計。

圖說:由于傳統的冷陰極管是利用交流驅動,所以在整個的驅動線路較為復雜,并且需要INVERTER,將產品機構中所使用的直流電,轉換成高壓交流電來驅動。(Dawoouv)

依需求發展出多元化的驅動方式

對于驅動白光LED來說,電路本身需要供給白光LED固定的電壓或固定的電流,而當可攜式產品開始運作后,就會產生電壓下降的現象,因而需要升壓元件來進行升壓、穩壓。大部分的電路設計多采用電容來維持穩壓,這是考慮到避免升壓零件工作時,對于射頻帶來一些影響,所以,就整體的電路來說,穩壓設計是相當重要的設計,來提供白光LED驅動所需要穩定電壓電流,而就對于白光LED驅動的部分,在本身的電路設計上,也發展出多元化的驅動方式,保護相關元件以及提供所需的亮度。

因為LED的特性是利用電流來驅動的特性,所以LED的亮度表現與順向電流有等比的依存關系,所以對于LED亮度的調整就必須有效的控制順向電流變化,目前可以利用調整電流檢測電阻,以及整流電阻來達到控制順向電流。

采用整流電阻的目的是確保順向電流都能夠流向LED芯片,不過這樣的做法會因為順向電壓的改變,影響順向電流的強弱,會造成順向電壓的改變有很多因素,例如溫度等等,這些都會使得LED亮度受到影響,產生功耗的浪費以及縮短電池的壽命。

圖說:LED的特性是利用電流來驅動的特性,所以LED的亮度表現與順向電流有等比的依存關系。(www.led365.com

然而采用整電流檢測電阻來確保順向電流變化的做法,相較之下是比較好的,因為使用電流檢測電阻可以確保流向LED的順向電流,也因此可以消除順向電壓變化所帶來的影響,如果期望改變LED順向電流的話,只需調整電流檢測電阻即可,不需要對整個輸入電源進行改變。另一個好處是,如果驅動多個LED時,只需要將多個LED進行串聯,因為電流檢測電阻的作用關系,因此也可以確保流入每個LED的電流都是固定的,但是這樣的做法對于并聯的LED,并不適當,因為必須在每個并聯的LED中安置一個電流檢測電阻,當然缺點就是成本會因此而增加,并且效率也會大打折扣,當然也會影響電池的使用壽命。

所以事實上,設計完善的LED驅動電路,不僅僅是確保LED的亮度能夠維持,更重要的是能夠保護電池的使用壽命,來增加可攜式產品在無來電源情況下的使用時間。另外還有一點是相當重要的,因為一般都是利用輸出功率除以輸入功率,來判定電源效率,但是對于LED驅動而言,在期望獲得亮度的情況下來定義輸入功率,所以并不能采用輸出功率除以輸入功率的方式,而是必須將LED功率除以輸入功率,所得到的結果才是正確的效率測量。

圖說:LED的特性是利用電流來驅動的特性,所以LED的亮度表現與順向電流有等比的依存關系。(www.strong-hand.com

利用傳統類比與PWM方式進行調光

大多數的可攜式產品,對于面板的背光都設計有調光功能,也就是說,在有無交流供電、待機模式等等的情況下,都會對背光的亮度進行調整,來減少耗電,延長電池的使用時間,目前有PWM或者類比(電壓調整法)等兩種的方式來對白光LED進行電流的控制與驅動,達到點滅控制、多段式亮度等等。

類比的電壓調整方法,就是單純的改變輸入電流,也就是說,所改變的輸入電流比例也就直接地影響白光LED的明暗,這樣的方式如果對于電流量的操控不夠精準的話,些許的電壓變化會造成輸入電流產生變動,而使得白光LED難以達到所預期的亮度,但是如果要能夠精確的讓白光LED產生期望亮度的話,那么就需要相當復雜的電路設計,此外因為過大的電流,這會使得設計困難度與成本都大幅度的增加,此外還會對白光LED的波長產生影響,出現LED顏色偏移,一般而言使用,類比電壓調整方式的情況不大多見,所以目前大多是利用PWM的方式來進行調光。PWM是利用改變白光LED的Duty Cycle,改變周期百分比、頻率來進行控制亮度,因此利用PWM調光可以達到相當精細的調整,不過,采用PWM方式的話,必須將工作頻率提高到100Hz,因為如果低于100Hz的話,就會被眼睛察覺出PWM的脈沖現象,因此電源啟動與回應時間是關鍵的條件。

圖說:PWM是利用改變白光LED的Duty Cycle,改變周期百分比、頻率來進行控制亮度,因此利用PWM調光可以達到相當精細的調整。(www.web-smoker.de

降壓式驅動與升壓式驅動各有優缺

利用PWM調光的方式,有兩種類型,包括升壓式和降壓式,一般而言較多人使用升壓式的驅動設計,這也意味著可以利用低于3V的電源來驅動白光LED,達到減少由電池所占據的體積,完成輕薄的產品設計。

采用升壓驅動方式的好處是,如果FET毀損不會導致LED也被燒毀、輸入電流的濾波比較簡單、可以簡化LED電流的偵測、簡化PWM調光控制負擔,根據業者的評估,升壓電路的效率可以高達90%左右。但是也是有缺點,升壓式的驅動設計,由于本身并不具有固定電流功能,如果當電壓超過限值時,有可能會對LED或者電路中其它元件造成損毀。

目前,升壓電路可以利用2種模式來完成:連續導通模式,以及不連續導通模式。這2種模式都是利用電感電流的波形來決定。連續導通模式是用在,輸入電流大于1安培時,輸出電壓與輸入電壓比值小于或等于6,如果需要更大的輸出電壓與輸入電壓比就必須采用不連續導通模式,不過不連續導通模式產生較大的電流,有可能造成電感的毀損,也會讓均方根電流增加,因此兩者相較之下,不連續導通模式的效率較低。

而至于降壓式的驅動設計,也有工程設計師偏愛使用,降壓驅動的優點是,結構比較簡單,并且成本也不至于太高,不過部分設計不佳的降壓驅動芯片解決方案,當面對驅動電壓較高時,會產生較大的功耗,使得電池的使用壽命減少,并且會產生高熱的情況。所以,目前有業者開始開發具有固定電流功能的降壓白光LED驅動芯片,避免因為驅動電路出現問題時,過高的電流造成LED損毀。

圖說:PWM是利用改變白光LED的Duty Cycle,改變周期百分比、頻率來進行控制亮度,因此利用PWM調光可以達到相當精細的調整。(www.ualg.pt

過壓保護延長電池的使用壽命

就如前述,對于白光LED驅動而言,最佳的狀況是電源電路能夠提供穩定的電壓以及電流,來驅動白光LED,但是在電路的運作過程中,難免都會出現突波現象,如果負載電阻增大,相對的電源的輸出電壓也必須隨之增加,所以對于利用固定電流驅動的白光LED,就必須設計出過壓的保護措施,在出現過大負載時,也都能維持固定的電流提供LED驅動。目前提供過壓保護這一方面,可以利用穩壓二極管與LED進行并聯,這樣可以將電壓維持在穩壓二極管最大承受范圍之內,當出現電壓高于穩壓二極管擊穿點的過壓的現象時,可以讓電壓流到電流檢測電阻,藉此保護白光LED元件,所以利用穩壓二極管和白光LED元件并聯的方式可以確保流入白光LED的電壓電流值都在固定的狀態。此外也有設計者利用監控的方式來維持電源的穩定,透過監控機制的管理,當出現電源過壓的情況時,立即關閉電源,來保護白光LED元件,并且可以延長電池的使用壽命。

圖說:利用穩壓二極管與LED進行并聯,這樣可以將電壓維持在穩壓二極管最大承受范圍之內。(www.img.alibaba.com

斷電機制經常被工程師所遺忘

斷電機制也是LED驅動電路設計中,需要考量的機制之一,不過卻會被工程師遺忘,而產生縮短產品使用壽命的情況。

因為在電壓轉換器斷電期間,還是會出現負載經由電感以及二極管連接著輸入電壓,這是由于輸入電壓與LED處于連接的狀態下,即使是電源不再供應,但是還是會產生些許的電流,如此處在經常都是如此狀況下的話,那么漏電流就會對電池帶來影響,使得電池的使用壽命大幅縮短。因此負載斷開的設計,對于整體的電路來說,還是有存在的必要性。

另外,如果沒有負載斷開機制的話,還會對PWM調光的部分帶來影響,因為當電源不提供電流時,輸出電容還是會和白光LED連接著,所以,電力仍舊會慢慢地流向白光LED,當電源被打開,PWM調光機制重新運作的時候,電容在每個PWM循環開始時,都會產生放電的現象,并且將輸出電容充電,因此當每個PWM循環開始時,就會出現突波脈沖,如果此時過壓保護機制設計不佳的話,那么就會直接對白光LED造成程度不一的傷害。此外,突波脈沖更會使得整個的系統效能下滑。所以,在電源電路中加入斷電機制時,LED就會與電源隔絕,當電源不再提供電力時,就不會出現漏電流的現象,并且PWM進行重新運作時,因為電容都是充滿電力的情況,也不至于突波脈沖。

圖說:當電源不提供電流時,輸出電容還是會和白光LED連接著,所以,電力仍舊會慢慢地流向白光LED。(www.pcpop.com

完善的設計驅動電路來保護電路

目前,全球各大解決方案業者,都積極開發結構更加完整、背光效率更高的白光LED驅動電路,提供工程設計師更簡化的設計,以及更完善的電路保護,對于白光LED驅動來說,無論是采用那種驅動方式,最重要的還是能夠完善的設計驅動電路,來保護電路中的各項元件,以避免不必要的突波或增加無謂的功耗,且可提高可攜式產品以及電池的使用壽命與時間。

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