白光LED驱动分析与应用

2 各种驱动器优缺点比较
对于LED驱动方式而言，每种LED驱动都有它的适用范围，也有它们各自的优缺点，搞清楚各自的优缺点，可以更好地根据实际情况，设计合理的LED驱动电路，这可以通过效率、工作电压、噪声干扰、输出调节、反应速度以及安装尺寸和成本来进行比较分析。
2．1 整体效率
线性稳压驱动器的整体效率是比较低的，主要是由于线性稳压驱动器是依靠功率管分去多余的电压来达到稳压效果，而这部分功耗是完全无用的，导致了驱动器效率的下降。所以使用线性稳压驱动器时，应尽量减少输入与输出电压差，其实际转换效率通常在50％～95％之间；由于基本电荷泵其只能倍数提供输出电压，其输出电压不能稳定在某个值上，所以通常在电荷泵电路外部连接额外的LDO，转换成稳压电荷泵，这样导致了电荷泵式驱动器效率在本身功率鞘耗的基础上，额外增加的LDO驱动器的功率消耗，效率通常在70％～85％；电感开关式驱动器以及基本电荷泵驱动器的损耗主要来自内部MOS器件静态电流损耗、外部电容以及采样电阻的功率损耗，其效率可达80％～90％。
2．2 工作电压
线性稳压驱动器由于分压工作原理，只能进行降压输出，这就决定了它只能工作的输入电压高于LED驱动需求电压的情况下工作；电荷泵驱动器，可进行降压或者升压，但如果需要进行高倍数或多模式调节输出电压，则需连接大量的开关和电容，使得效率大幅降低，所以一般应用于过度电压驱动，即输入电压与输出LED驱动电压差别不大的情况；电感式开关驱动器由于利用了磁场储能，不论是升压、降压还是两者同时进行，只需调整采样电阻的比例，就可以进行大范围的输出电压调整，且不会因输出调整改变驱动器效率，所以其应用范围最广，可广泛运用于各种输入电压之下。
2．3 噪声干扰(EMI)
线性稳压驱动器由于其工作原理是采取分压方式稳定输出电压，本身工作不需要电容或电感进行稳压操作，MOS管也始终工作在线性状态下，不需要进行关断或开启操作，所以本身不会产生噪声电压、电流和电磁干扰；电荷泵由于不采用电感，所以其EMI影响基本可以忽略，在输出电压过程中，MOS管需要进行开关操作，所以会产生一定的电源噪声，但由于没有使用电感，所以噪声较小，可以通过外接一很小的电容消除；电感式开关驱动器是电源噪声和EMI的主要来源，由于MOS管的频繁开关操作，PWM会在MOS管开关的固定频率内产生大的EMI干扰，PFM更是在其频率的可变范围内产生干扰，所以供应商通常需要采取提高电感式开关工作频率的方法，使其EMI落在系统频带之外，另外由于电感的原因，MOS管通断瞬间会产生较大的尖峰电流或电压，输出电流和电压也存在相位差。
2．4 输出调节及响应速度
线性稳压驱动器可以根据产品的需要，通过调整外部采样电阻的比例，调整MOS管的分压，对输出电压进行控制，而且其电路简单，响应速度很快；电荷泵驱动器本身不可随意调整输出电压的数值，只能通过采样电压反馈进行倍数调节，通过串接LDO也可进行电压调节，但这样也会降低驱动器的响应速度，响应速度较LDO慢，电荷泵对输出电压调节的优势在于它可通过简单设计，进行正负两种电压的输出，面其他两种驱动方式则需要另外的设计电路才能达到输出负值电压的效果；电感式开关驱动器，对输出电压的调节也只需调节采样电阻的比例，改变控制方波占空比，来调整输出电压，调整比较简便，但由于电路结构复杂，需进行多次比较放大，电感的存在也进一步减慢了电压调整的反应速度，所以响应速度最慢。
2．5 安装尺寸及成本
线性稳压驱动器电路构成简单，一般只需20～40个元器件就可组成，成本低，但由于MOS管也一直处于线性区或饱和区，发热量较大，所以需加装大的散热装置，以保证散热良好，确保系统稳定。电荷泵电路复杂程度居中，外接的电容体积也可通过提高开关频率而减小，而且现在贴片式电容也得到了很好的应用，使得电荷泵集成度大大提高，所需安装尺寸进一步减小。电感式开关驱动器电路最为复杂，成本最高，而且最少需外接一个电感、电容和肖特基二极管，特别是在需要屏蔽应用时，需另外加装屏蔽装置，成本更高，尺寸也更大。附对照表如表1所示。

3 LED照明实际电路应用
在了解了各种驱动器的工作原理和优缺点之后，可针对一些常见的LED照明驱动电路的应用情况进行简单的分类、归纳总结。
3．1 锂电池供电LED驱动
锂电池电压通常在2．5～4．5 V之间，通常采用锂电池供电的都是便携式设备，包括移动电话、MP4、笔记本电脑等，为了便于携带，设备体积小、重量轻，而且集成度高，较大的电磁干扰会对其他电路产生影响。根据便携式设备的实际情况，LED驱动需要达到以下要求：升压驱动；占用面积小；电磁干扰小；高转换效率。小型设备LCD照明只需将3～9只LED串并联使用，但对发光一致性要求高。大型设备LCD照明通常采取背光模块的方式。背光模块已将白光LED光源通过折射、导光以及其他一些工艺技术来处理光均匀度问题。所以对于发光的一致性要求较低。最佳电路结构是采用带LDO的电荷泵驱动方式，这种驱动方式能升压、占用面积小，且EMI干扰很小。
3．2 蓄电池供电LED驱动
蓄电池电压通常在12～36 V之间，输入电压始终高于LED管压降，这种情况下只需进行降压操作即可，如太阳能路灯、机动车灯光系统等。这种情况往往对LED发光的一致性要求较低；但对于发光亮度要求较高，所以常常采用大功率LED，同时考虑到应有尽量高的效率和较低成本，其最佳方案是降压式电感开关驱动器。
3．3 市电情况下的普通照明应用
市电供电是对LED照明最有意义的一种供电方式，是决定LED能否真正普及的一种应用，所以是LED照明必须研究和解决的重要问题。用市电供电，首要解决的是降压、整流问题，同时考虑到LED驱动电源会对电网产生影响，还要解决好电源噪声、电磁干扰和大功率因数问题，所以需采取电路隔离的方式，减少对电网的污染。对于中小功率的LED来说，最佳的电路结构是采用隔离式单端反激开关变换器。由于单端
反激电路输出功率能力有限，对于数百瓦以上的应用情况，应选用输出功率更大的桥式开关变换器。

4 结语
随着便携式设备的迅速发展以及市电供电LED照明技术日益成熟，越来越多的设备采用了LED照明，对LED的驱动芯片的需求将进一步扩大。总之，白光LED的用途非常之广泛，其驱动电路的设计是非常关键的，只有针对不同的应用环境，采取合理的驱动方式，才能在实际应用中设计出最稳定、最合理的驱动电路。