近年來，白光LED在照明領域成為越來越顯得重要的創新產品，出眾的使用壽命及光效率使白光LED在快速成長的應用產品中，成為客戶首選的解決方案，許多積體電路製造商已開發出多種解決方案...
近年來，白光LED在照明領域成為越來越顯得重要的創新產品，出眾的使用壽命及光效率使白光LED在快速成長的應用產品中，成為客戶首選的解決方案，許多積體電路製造商已開發出多種解決方案，使工程人員在最佳工作條件下使用這些新型元件。本文旨在幫助工程人員選擇最佳的LED驅動器拓樸架構，雖然也可使用高壓交流電源驅動LED，但是低壓電池供電系統仍然是主流應用方案，因此，本文將著重後一種類型的驅動器。
在介紹驅動器工作原理之前，讓我們簡單瞭解一下LED的一些基本特性。由於發射光與通過發光二極體的電流量成線性正比關係，因此，嚴格控制正向電流對於獲得所需要的光發射而言極為重要。而且，與其他二極體相比，白光LED呈高度非線性，與普通整流器相比，白光LED在電氣上的唯一區別是其電壓為正向電壓，範圍於3V～4V。因為電流和電壓的關係與溫度及製程有關，所以在LED上施加電壓會導致電流輕微失控，因此，驅動LED的最佳方法是在電流模式中進行操作。
LED驅動器的選擇範圍很廣，但其目標應用數量有限。彩色螢幕手機的廣泛使用推動了白光LED的生產，白光LED被視為顯示幕背光的最佳解決方案，因此，驅動器首先開發使用鋰離子電池供電，允許的電源電壓範圍一般是2.7V～5.5V。
出於同一個實用原因，連接到一個驅動器的LED數量直接取決於LCD的尺寸，很多時候，LED的使用數量為3～5個，但是對於大型顯示幕，則可使用多達10個LED。第三個限制因素是解決方案的尺寸，製造商始終在尋求最小且最薄的解決方案，由於該方案使用電池供電，因此效率成為區分驅動器的關鍵因素。
另一個電路類型是閃光燈，背光電路之間的主要區別是輸出功率，用於照相手機閃光燈的LED需要100mA～1.2A電流，而普通背光僅需20mA。LED的數量從一個到四個不等。如果您不需要超過500mW的電氣功率，則顯示幕背光電路有極大的選擇空間，從500mW～5W，要求更接近於閃光燈應用。
現在讓我們看一下不同的拓樸架構(圖1)。正向電壓通常高於電池電壓，所以電容性電荷泵或電感升壓裝置可用於提高可用電壓。電感升壓裝置的獨特優點在於，僅需要使用一個功率開關，即可以產生足夠的電壓，以串聯LED。
沒有其他較好的方案能像這方案確保所有LED具有相同電流和亮度，可對電感的充放電進行有效控制，確保穩定的電流通過與LED串聯的檢測電阻。這種電路的特點是效率較高，例如，NCP5006在輸出電壓為22V的情況下可以實現高達90%的效率，當然，實現這些卓越特性也要付出代價，即需要電感。這種元件一般比電容更貴更厚，所以對於厚度和PCB面積非常重要的應用，最佳解決方案通常是電容性電荷泵。
電荷泵用電池電壓對電容器來進行充電，然後再用電氣方法對電容器電壓進行「儲存」，提供高於電源電壓的輸出電壓，它需要使用數個開關對電容器進行正確的連接，因此內部複雜度有所提高，但外部元件可能較小。
與運行在電流模式下，且可以類比為電流源的電感升壓裝置相反，電荷泵是一個電壓源，其數值取決於電容和開關數量，因此，在不大幅提高複雜度的情況下，達到較高輸出電壓更為困難，在這種情況下，要對LED進行並聯而不是串聯。
確保LED電流穩定，可通過附加電流源或電阻，對電流源進行匹配，確保LED之間的電流差異微乎其微，當精確度處於次要地位時，最好使用電阻來減少連接數量並降低複雜度。電荷泵的主要缺點在於其效率，而開關和電容器的數量決定了電荷泵的乘數N，此比例通常為1.5或2，下列簡單的公式提出了理想效率的演算法：
(公式請見新通訊54期8月號)
實際上，Vout不可能等於N.Vin，因為確保內部電路正確偏置的最小壓降在於驅動器本身，但是有些製造商聲稱效率可以高達95%。當分析資料表時，值得注意的是表中的值是最佳值，除非輸入電壓完全符合最佳條件，否則需要在參數曲線上檢查最壞情況，比如，圖2顯示了電感升壓裝置(此處為NCP5006)與有兩個乘數的電荷泵之間的效率差別。
如上所述，驅動器限制電源電壓通常為5.5V或6V，這在一些應用中是極為重要的限制。幸好某些電感升壓裝置與電感器不同，無需連接到同一個電源上，如NCP5006-NCP5007。電路限制電源電壓為5.5V，但是功率開關最高可以維持22V。由於電路的內部架構不同，因此可以採用應用中的低壓穩壓源對其進行供電，而電感器則需連接到更高的電池電壓上。
其中，一個重要的參數是LED驅動器產生的雜訊。因為電容器要進行充放電，所以電荷泵是大電流突波的來源，如欲減少這種影響，則必須進行高品質的輸入濾波。由於存在電感，電感升壓裝置會引起電磁干擾(EMI)，通常情況下，可變頻率的干擾少一些，但是頻率值取決於工作條件，系統設計人員通常偏好稍高的EMI水平，但使用固定頻率。
總結，表1列出了使用不同LED驅動器拓樸架構可獲得的典型參數值。很明顯，可以找到因某個參數而超出這些性能的元件，但是此表旨在於幫助工程人員識別可以滿足一系列要求的電路類型。