2.2 白光LED驱动技术

2.2.1 白光LED驱动器

1.白光LED对驱动器的要求

白光LED的基本特性是通过白光LED的电流量与发光量呈线性正比关系。因此，严格控制白光LED正向电流对于获得所需的发光量而言极为重要。白光LED与普通整流二极管相比，白光LED在电气性能上与其唯一的区别是其正向电压变化范围在3～4V之间。因为白光LED电流和电压的关系与环境温度及生产工艺有关，所以白光LED工作在电压模式下易导致白光LED电流失控。因此，驱动白光LED的最佳方法是使其工作在电流模式下。

彩屏移动电话的广泛应用推动了白光LED的生产，白光LED被视为移动电话显示屏背光的最佳解决方案。因此，首先开发使用锂离子电池供电的白光LED驱动器，允许电源电压变化范围一般为2.7～5.5V。出于同一使用原因，连接到一个驱动器白光LED的数量直接取决于LCD的尺寸。通常白光LED的使用数量为3～5只，大型显示屏可使用多达10只白光LED。另一个限制因素是所设计的驱动电路的外形体积，设计中应选用外形结构尺寸最小且最薄的驱动电路方案。由于该方案使用电池供电，因此效率成为选择驱动器的关键因素。白光LED另一种应用电路类型是相机闪光灯，其与背光电路之间的主要区别是输出功率。用于可拍照移动电话闪光灯的白光LED需要100mA～1.2A电流，而普通背光应用仅需要20mA电流。如果背光应用需要的功率不超过500mW，则用于显示屏背光的白光LED驱动电路有极大的选择空间，而相机闪光灯应用一般需要500mW～5W的功率。

驱动器可以看做向白光LED供电的特殊电源，根据需要可以驱动串联、并联或串并联的多只正向压降为3.0～4.3V的白光LED，并满足驱动电流的要求。对白光LED驱动器的主要要求有以下几方面。

（1）为满足便携式电子设备的低电压供电要求，驱动器应有升降压功能，以满足1～3节充电电池或1节锂离子电池供电的要求，并要求能工作到电池终止放电电压为止。

（2）驱动器应有高的功率转换效率，以提高电池的使用寿命或两次充电之间的时间间隔；目前高的功率转换效率可达80%～90%，一般可达60%～80%。

（3）在多只白光LED并联使用时，要求各白光LED的电流相匹配，使亮度均匀。

（4）低功耗，静态电流小，并且有关闭控制功能，在关闭状态时一般耗电应小于1mA。

（5）白光LED的最大电流ILED应可设定，使用过程中可调节白光LED亮度（亮度调节）。

（6）有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护。

（7）小尺寸封装，并要求外围组件少而小，以使占印制电路板面积小。

（8）对其他电路干扰影响小。

（9）使用方便，价位低。

2.电池供电LED驱动器的分类

由电池供电LED驱动器的输入电压一般低于5V，主要用于便携式电子设备，驱动小功率及中功率白光LED，它主要分为采用电感式升压DC/DC变换器、电荷泵和基于LDO（Low Dropout regulator，低压差线性稳压器）的驱动器。过去只有电感式升压DC/DC变换器可输出较大的电流，近年来，电荷泵的输出电流已从几百毫安上升到1.2A，并且两者在转换效率上也不相上下，采用LDO作为白光LED驱动器较少，但它不需要外围组件且价位低，其缺点是转换效率略低，并且使电池往往不能用到终止放电电压就要充电。这种驱动器主要用于1节锂离子电池的场合，并需采用正向电压VF低的白光LED。可以使用的电池供电驱动白光LED的集成器件品种较多，大致分为恒流源、电荷泵和电感式升压开关变换器三种类型。

1）恒流源

绝大多数LCD背光照明装置配有亮度控制器，以便在使用中根据环境光线的强弱进行相应调节。由于白光LED的光子发射源于电子、空穴对的复合，故其发射速率及发光强度均与白光LED的正向电流成比例。为此可控恒流源应是实现亮度控制最简单的方案，但因白光LED的“色温”也与工作电流直接有关，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，仅能用于对于颜色保真度要求很低的场合，因此LCD背光源则大多采用脉宽调制（PWM）电源供电，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电子设备，由于多只白光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白光LED驱动器。

在电源电压较为有限的应用场合，多只白光LED只能以并联方式工作。此时，按照传统的设计方法，通常须为每只白光LED配备独立的限流电阻，以克服白光LED正向压降一致性差，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白光LED供电，可以消除电源电压变动所造成的不利影响。

2）电荷泵

白光LED的正向压降可以高达4V，但是目前的大量便携式电子设备多以单一锂离子电池供电，此时已经无法再由设备电源直接驱动白光LED，而必须借助于各类电源变换器件。可以用做白光LED驱动器的电源变换器件有很多，其中应以电压输出型电荷泵电路最为简单。典型的此类器件如LM3354开关电容式变换器的电源电压范围为2.5～5.5V，输出电压有一系列标称值可供选择，用做白光LED驱动器时应选用标称输出电压为4.1V的LM3354。LM3354的开关频率为1MHz，故而可以采用容量较小的泵电容；LM3354的最大输出电流90mA，带有片内过热保护电路，静态电流为475μA，关断状态电流为5μA。控制白光LED亮度的脉宽调制信号可由器件的关断控制（）端送入，其重复频率应在60Hz以上，以免白光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。

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，目前也确实有不少电流输出型电荷泵电路可供选用，如LTC3200开关电容式变换器的反馈阈值电压则可由“引脚编程”方式设定为200mV、400mV或600mV（第4种编程组态为“关断”）；若以PWM信号令其间歇进入关断状态，便可平滑调节白光LED的亮度而不致产生明显的“色偏”。LTC3200开关电容式变换器工作频率为1.5MHz，电源电压为2.7～4.5V时最大输出电流为125mA，可以同时驱动8只白光LED。LTC3200-5电压输出型电荷泵与LM3354结构相似，但体积较为小巧，而且仅需一个开关电容；工作电压为3～4.4V，工作频率为2MHz，输出电流可达100mA；因额定5V输出电压偏高，因而限流电阻压降也偏大，对其整体电源变换频率有一定的影响。

SC600电压输出型电荷泵包括4～4.5V/120mA与4.5～5V/60mA多种输出规格，电源电压范围为2.7～6.5V，利用“引脚编程”方式切换工作频率，在8～650kHz范围内共分四挡，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，其切换阈值具有80mV的“回差”（当电源VIN减小至低于负向阈值时，输出电压VOUT翻转为高电平VOH；而电源VIN增大至高于正向阈值时，输出电压VOUT才翻转为低电平VOL。这种滞后的电压传输特性称回差特性，其值称为回差电压。），以防切换过于频繁而造成较大的输出纹波。

电流输出型电荷泵LM2794可以将电流镜作为输出级，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；要调整白光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。LM2794电源的电压范围为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；其切换阈值也有250mV左右的回差，以防输出纹波恶化。LM2794的外形尺寸仅为2mm×2.4mm×0.84mm，是同类器件中体积最小的。

S8813与LM2794结构相近，但其恒流原理属脉冲频率调制型。这种恒流方式对于变换效率、性能的提高有好处，但有一定的开关噪声。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）电感式升压开关变换器

电感式升压开关变换器以电感器作为储能元件，它在电压提升的效能方面优于电荷泵，用做白光LED驱动器的电感式升压开关变换器多为电流输出型。

目前，小功率集成电感式升压变换器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。MAX1848的开关频率为1.2MHz，输入电压为2.6～5.5V时，最高输出电压可达13V，足以驱动2～3只串联的白光LED。MAX1848还可同时驱动三路并联负载，每路负载包括2只串联的白光LED。此应用需要配用3个采样电阻，各路负载的电流匹配情况不令人满意。

LT1937为电感式升压开关变换器，片内功率开关耐压高达36V，可以驱动6只白光LED串联组成的单路负载。采样电阻压降约为100mV，调整采样电阻的阻值可将输出电流设定为5～20mA。白光LED的亮度调整可采用两种方法：在反馈结点引入外加控制电流或将脉宽调制信号送入关断控制端。

属于电感式升压开关变换器的同类器件的还有LM2704和LX1993。LM2704可以在2.2～7V电源下工作，最高输出电压20V，输出电流20mA，可驱动两路共计8只白光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，故电源变换效率较高，同时易于解决小型封装器件的散热问题。LX1993能以20mA的输出电流驱动单路4只白光LED，其优点在于电源电压可以低至1.6V。

3.白光LED驱动器的效率

白光LED驱动器的效率是一个不可忽视的问题。因白光LED的正向压降往往可能相差数百毫伏，会直接影响白光LED实际消耗功率在驱动器件输出总功率中所占的比例。在白光LED驱动电路中，消耗于限流电阻或电流镜输出管的无用功率，对于实际的电源变换效率往往具有很大影响。采用多只白光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。

（1）驱动电路的最高输出电压通常较为有限，所以同一支路中白光LED的串联个数不可能太多。

（2）目前白光LED产品的一致性并不令人满意，同一支路中通常要使用同一厂商同一生产批次的白光LED，才能基本保证整个照明面积具有足够均匀的照度。

4.白光LED驱动器必须具备的条件

最近几年便携式电子设备大多改用正向电压为3.6V（20mA）的白光LED作为LCD的背光源，如移动电话大约需要使用3～4只白光LED，然而一般锂离子电池放电时的电压经常低于3.6V，为了符合白光LED正向电压3.6V的需求，必须借助升压电路才能获得预期的效果，也就是说白光LED驱动器必须在电池的输出电压下降时，驱动器也能够为白光LED提供正常工作所需的正向电压VF。

由于白光LED的正向压降匹配较差，第一代白光LED驱动器采用限流电阻进行电流匹配，以补偿正向电压的差异，从而保证白光LED亮度的一致性。然而，最新研制的白光LED驱动IC不受供电电压的影响而保持恒定的亮度，提升并调节电池电压的驱动器IC可以是开环或闭环控制器、电荷泵或带有电压或电流输出的电感式变换器。

在大多数应用中，白光LED是并联或串联在一起的。但在个别情况下，也可采用混合的串联、并联配置方式。LED连接采用串联、并联或混联的方式取决于应用的需要，每种配置方案都有本身的优点和不足之处。

（1）串联。白光LED具有类似二极管的正向电压和电流特性。由于白光LED亮度几乎完全由电流控制，因此，只要使用相同或匹配的电流，两只白光LED即可获得相同的亮度，而无须考虑其正向电压的差异。白光LED采用串联方式连接可保证流过LED的电流相同，因此全部白光LED的亮度都是一致的。

（2）并联。大多数并联白光LED配置都采用恒电压或恒电流的驱动器，而驱动器的选用取决于具体的应用要求。在恒压拓扑中驱动并联白光LED非常简单，驱动器可以是开环电压输出的开关式DC/DC稳压变换器。每只白光LED都串接一个限流电阻，用来设置电流值并匹配白光LED之间的电流。采用具有高限流电阻值的恒压驱动器，可以获得良好的电流匹配，但其负面作用是影响效率。相反，较低的限流电阻值将提供较高的效率，但白光LED的电流（亮度）匹配效果较差。

第一代恒流驱动器是带有恒流功能的电荷泵，这一代恒流驱动器使用限流电阻来检测白光LED电流。利用检测到的电流来调节第一只白光LED的正向工作电流，其余白光LED限流电阻的电流值会与第一只白光LED的电流进行匹配。由于白光LED之间的正向电压各不相同，因此电流匹配精度非常有限。需要精确电流匹配的应用如彩色LCD显示等，可以使用内部具有恒流功能驱动器，这些驱动器可在白光LED之间提供精确的电流匹配，而无须考虑其正向电压。

白光LED需要的正向电压相对较高，最新的技术趋势是将白光LED的正向电压降低至3V以下。因单个锂离子电池的电压范围为2.7～4.2V，其标称电压值为3.6V。如果白光LED的正向电压低于3V，可采用锂离子电池直接驱动白光LED电路（不用升压），从而减少部件数量和降低成本。

与传统白光LED驱动器IC不同，如今的白光LED驱动器采用了主动匹配技术，为实现白光LED恒定的亮度，并采用内置的数字、模拟和PWM控制单元对白光LED亮度进行调节。飞兆半导体最新的型号为FAN5608LED的驱动器整合了所有的亮度控制方式（数字、模拟、PWM），并支持特殊配置方案，采用两个恒流源驱动两个白光LED串联支路，每个LED串联支路都具有独立的亮度控制，每只白光LED串联支路上串联有4只白光LED，从而满足驱动8只白光LED的要求。

2.2.2 白光LED驱动电路的设计

1.白光LED基本驱动电路

由开关变换器构成的白光LED基本驱动电路如图2-11所示，一般的开关变换器是使反馈电压VFB与内部基准电压VREF进行比较后控制变换器的输出电压。如果将环境的亮度信号也引入白光LED亮度控制电路时，图2-11所示的白光LED驱动电路改进为图2-12所示的电路。图2-12与图2-11所示电路最大差异点是，图2-12电路增加了VT1、电阻R1与R2和OP放大器IC1，图2-12电路中比较器输出端的电压VSENS与白光LED的电流ILED可用下式表示：

此处假设R1=R2时，则式（2-1）改写为：

利用式（2-2）计算结果设计白光LED驱动电路，还必须做下列调整：

（1）为获得周围亮度必须调整比较器的输出电压VSENS。

（2）利用比较器的输出电压VSENS调整白光LED的亮度。

2.利用PWM信号控制白光LED亮度电路

图2-12所示的驱动电路采用反馈电压进行LED亮度控制，而图2-13所示的电路则采用PWM信号控制白光LED的亮度。在图2-13所示的电路中，IC的EN端子是可使开关变换器做ON/OFF模式运行的端子，如果对EN端子施加PWM信号，白光LED会以某种速度做ON/OFF模式运行，进而控制LED亮度，此电路的VT1输出信号需经A/D转换器转换为数字信号。利用PWM信号控制白光LED的亮度，白光LED的平均电流ILED（ave）可按下式计算：

式中ILED（max）——开关变换器的最大输出电流；

SDUTY——PWM信号的占空因子（%）。

如图2-14所示为NJU6502IC电路方块图，NJU6502IC由开关变换器、晶体管输入电路、A/D转换器、PWM控制器，以及可从微控器设定内部阻抗值与工作模式的串行接口构成。NJU6502IC内部共有8个设定电阻，每个电阻都可任意设成6位，可利用环境照度检测晶体管VT1产生的输入电压选择各电阻，以实现白光LED亮度由64阶的其中任意8阶控制。

利用NJU6052IC构成的白光LED驱动电路如图2-15所示。在图2-15所示的电路中，NJU6052IC实现升压与亮度控制功能所需的外置元件非常少。NJU6052IC构成的白光LED驱动电路中各元件参数取决于下列条件。

（1）负载阻抗RL的阻值。由于内部基准电压VREF为0.6V，因此负载阻抗RL的阻值可按下式计算：

（2）内部振荡器的电容量CX。内部振荡器的电容量CX可利用图2-16所示的坐标图求得。由于振荡频率fOSC介于350～500kHz之间，因此内部振荡器的电容量CX可在47～68pF之间选取。

（3）L1的电感值。L1的电感值可按下式计算：

式中VOUT——开关变换器的输出电压；

VIN——输入电压；

Ilimit——内部开关的电流限制值（720mA）；

η——变换器效率，一般取0.7～0.8。

（4）二极管的选用。二极管额定电流与反向耐压在选择时要留有一定的裕度，其具体参数应根据开关变换器的输出电压和电流选择。二极管的正向电压越低，开关的速度越快，转换效率就越高。

（5）输入/输出电容的选用。输入电容可选用陶瓷电容器，布局设计时电容器尽量靠近IC。输出电容基于抑制波纹电压等考虑，应选用低ESR值的电容。

3.具有电流控制的开关模式升压变换器

开关模式升压变换器MAX1848可以产生最高至13V的输出电压，足以驱动3只串联的白光LED，如图2-17所示。这种方法也许是最简捷的，因为所有串联的白光LED具有完全相同的电流。白光LED电流由RSENSE与施加在CTRL引脚上的电压共同决定，通过白光LED的正向电流与施加在CTRL引脚的电压成正比。由于当施加在CTRL引脚上的电压低于100mV时，MAX1848会进入关断模式，这样也可以实现PWM调光功能。

MAX1848采用6引脚SOT-23封装，内部集成了升压变换器与电流控制电路，利用电流检测驱动3组LED，每组白光LED包括3只串联的白光LED，如图2-18所示，MAX1848的输入电压范围为2.6～5.5V。MAX1848利用电压反馈调节流过LED的电流，较小的检流电阻（5Ω）有利于节省功耗、保持较高的转换效率。MAX1848的典型应用电路的参数为：L1=33μH，CCOMP=150nF，COUT=1.0μF，RSENSE=5Ω。白光LED电流由控制电压确定：

式中K——系数，取13.33。

图2-18所示的电路中的白光LED亮度可以通过CTRL引脚的DAC调节或电位器分压电路调节，电压控制范围为250mV～5.5V，将控制引脚接地可实现关断。负载功率为800mW时电路转换效率达88%。

4.白光LED驱动电路的比较

所有专为驱动白光LED而设计的集成电路都提供恒定电流，其中绝大多数是基于电感式升压变换器或电荷泵的解决方案，这两种解决方案各有其优缺点。电荷泵解决方案是利用泵电容将电能从输入端传送至输出端，整个过程不需要使用任何电感，所以是应用较为广泛的驱动白光LED的解决方案。电荷泵电源的体积很小，设计也很简单，选择元件时通常只须根据元件规格从中选择适当的电容。电荷泵解决方案的主要缺点是只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵的输出电压最多只能达到输入电压的两倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的两倍，因此若想利用电荷泵驱动一只以上的白光LED，就必须采用并联驱动的方式。而利用输出电压进行稳压的电荷泵驱动多只白光LED时，必须使用限流电阻来防止电流分配不平均，但这些限流电阻将会降低电池的使用效率。

电感式变换器解决方案体积小、效率高，适合为绝大多数便携式电子设备提供更长的电池使用时间。在应用中可以调整电感式变换器的效率，以便在体积和效率之间取得最佳平衡。基于电感式变换器解决方案大多采用升压变换器，如图2-19所示。图2-19中的电感式升压变换器解决方案最多能驱动6～7只串联的白光LED。

白光LED在LCD背光应用中，驱动器和白光LED通常会在不同的电路板上，因此必须将电源从一块电路板连接至另一块电路板。驱动5只并联的白光LED共需使用连接器的6个引脚，而驱动串联在一起的5只白光LED只需要2个引脚。

5.设计实例

多功能移动电话显示屏的白光LED驱动器的电源是由输入电压在2.7～4.2V之间的锂离子电池供应的。移动电话显示屏内置4只串联的白光LED，每只最大正向电流为20mA，这种设计需要20mA最大输出电流和16V（4×4V）的输出电压。该移动电话要求具有显示屏亮度调整功能，移动电话在闲置一段时间后，能够逐渐降低屏幕亮度。系统处理器负责提供PWM调光功能所需的数字信号。设计中电池使用寿命是主要考虑因素，因此效率应尽量提高。移动电话显示屏大约有98%的时间处于待机模式，因此需要白光LED驱动器具有负载切断功能，以便延长电池的使用时间。移动电话受到体积限制，需要小型的集成化解决方案。

设计中采用TPS61043能满足上述要求，TPS61043是电感式升压变换器，内置功率MOSFET，也是专为驱动白光LED而设计的驱动器。TPS61043还提供负载切断、过电压保护和PWM调光功能，TPS61043的开关频率为1MHz，设计中可使用体积最小的外部元器件。

1）检测电阻的选择

采用TPS61043构成白光LED驱动器的外部电路设计主要是如何正确选择外部元件，同时完成适当的电路布局。电流检测电阻值由TPS61043的参考电压0.252V除以所要求的白光LED最大电流0.02A来决定，即电流检测电阻值为12.6Ω，电阻的功耗为5mW，因此可选择0402型电阻器以节省印制电路板面积。

2）电感的选择

选择适当的电感不仅能确保设计符合效率要求，而且也能满足有限的印制电路板面积要求。电感的选择必须考虑的三项参数为电感值、饱和电流和线圈阻抗（DCR）。与所有的开关式变换器一样，选择电感就是在效率和印制电路板面积之间做出折中，较大的电感值可提供更小的阻抗、更高的效率和更大的饱和电流额定值。较小的电感则使用较小的印制电路板面积，饱和电流额定值也较小，但线圈阻抗却比较大，因此整体效率较低。

在传统的升压变换器中，输出电感和电容可决定变换器的反馈回路是否稳定，因此被选中的电感、电容和补偿网络的器件都必须经过测试，确保电路能够稳定工作。TPS61043采用先进的控制电路，无论采用多大的电感值，电路都能确保工作稳定，因此不必考虑反馈补偿的问题。在这个控制电路中，开关频率fS是由电感值、输入电压、输出电压和负载电流所决定的，其计算公式如下：

式中IOUT——白光LED的电流，最大值为0.02A；

VOUT——输出电压，最大值为16V；

VIN——输入电压，最小值为2.7V；

VF——二极管的正向电压，取0.4V；

ILIM——峰值开关电流，取0.4A，由控制拓扑决定；

LOUT——电感值；

100——其单位为纳秒（ns）。

既然电感体积是重要的设计参数，开关电路应使用高的开关频率，但由于电感式变换器的开关损耗会受到开关频率影响，因此频率越高通常就代表效率越低。而较低的开关频率可以提供较高效率。如何选择最适当的开关频率才能将变换器开关损耗减至最小，这个问题目前仍没有任何最终方程式可供求解。

典型的设计步骤是选择一个接近最大可能的工作频率来设计变换器，然后重新调整开关频率和测量工作效率，直到其参数达到满意为止。将开关频率任意设为700kHz，利用式（2-7）计算出电感值为4.8μH，实际电路采用4.7μH标准的电感值。

无论电源或负载的状况如何，TPS61043控制电路都会将电感的峰值电流设为400mA，因此将电感的饱和电流设为400mA。电感线圈阻抗决定电感的体积，并且对设计的整体效率有重大影响。本电路选用的电感的是饱和电流为650mA的4.7μH电感，线圈阻抗为150mΩ（LQH32CN4R7），这个电感的体积仅有8.2cm×2.5cm×1.55cm，故符合设计要求。

3）输入和输出电容选择

输入电容能稳定电源的输入阻抗，这在电池供电型电子设备中极为重要，因为在电源的开关频率下，所有电池都会有很高的阻抗。若没有输入电容，开关式电源输入端的电源为脉冲形式，就会在输入电源线路上产生很大的电压纹波，进而影响系统的其他部分电路正常工作。TPS61043应使用4.7μF的陶瓷输入电容，但也可以使用更大的电容值。较小的电容值可以节省印制电路板面积和降低成本，但会增加输入的纹波电压，在不增加输入电容的前提下，减少输入纹波电压的方法之一是提高驱动器的开关频率，这可通过减小电感值来完成；在较高的开关频率下，电容阻抗变得较小，这能降低输入的纹波电压。

开关式升压变换器的输出电容的容量会直接影响输出纹波电压，由于电压对于白光LED驱动电路并不重要，因此可以使用低至0.1μF的输出电容。这么小的输出电容确实会造成很大的纹波电压，它会让白光LED出现很大的纹波电流。但因纹波电流并不会对白光LED造成什么影响，LED的亮度是由白光LED平均电流决定的，任何频率在100Hz以上的纹波电流都不会被眼睛察觉。假设白光LED电流波形的波峰为30mA，波谷为10mA（平均20mA），那么它所产生的LED亮度会和20mA直流电流完全相同。输出电容应使用陶瓷电容，其电压额定值应该高于变换器的输出电压，若输出电压为16V，应选用额定电压为16V的电容，即使在故障情形下，输出电压也只会上升至19V，因陶瓷电容在2倍的额定电压下才会损坏，所以16V的输出电容仍在可接受范围内。对于要求使用寿命长或可靠性很高的产品设计，应选用电压额定值较高的输出电容。如图2-20所示为图2-19所示的白光LED驱动器的电压和电流波形。

4）布局布线

正确选择白光LED驱动器，并为其设计外部器件，都只是电路设计过程的一部分。白光LED驱动电路必须正确布局和布线，才能保证驱动器正常工作，而且不会产生过多的系统噪声。在布局和布线中，最重要的布局约束条件就是从VD1经过输出电容到地的，再进入TPS61043的地线引脚，然后从TPS61043的SW引脚离开，最后再回到VD1的回路布线，这个回路应该越短越好。C1的位置必须靠近L1，以提供图2-20中波形A所示的脉冲电流，此电流从C1出发，经过L1到地线，然后再回到C1，这个物理回路面积应尽量缩小。图2-20中波形B是开关结点的电压，它会以每秒60万次的速度在地电位和输出电压之间切换，因此这个电路网络应该越短越好，以减少任何可能的电磁辐射。图2-20中波形B的电流会被分成波形C和D，这两个路径上的电流都非常不连续，因此路径长度必须尽量缩短，以减少电磁辐射和电路板的电压波动。输出电容的位置应很靠近电源端，而不是靠近LED，这样所有开关电流将局限在电源端。由于电流从电源流向白光LED，图2-20中波形E几乎是直流，LED端也不需要电容滤波。如果输出电容的位置靠近白光LED，电流就会在两块电路板之间流动，使得系统噪声增加。

2.2.3 白光LED的并联和串联驱动

PDA、移动电话和数码相机等便携式电子设备已逐步过渡到彩色LCD显示屏，因此，越来越多的产品需要背光源。提供白光背光源的方法有两种：白光LED和CCFL（冷阴极荧光灯）。白光LED被普遍用做便携式电子设备LCD的背光源，原因是它们的复杂程度较低、成本低且尺寸小于CCFL背光源。单色LCD可以使用电致发光背光源或LED作为背光源，而彩色显示器则需要白光背光源，以正确显示色彩。CCFL在笔记本电脑中已经应用了很多年。但考虑到光源尺寸、复杂性及成本优势，白光LED成为小型便携式电子设备彩色LCD的首选背光源。

白光LED只需较低的直流电压（3～4V之间），可以采用简单的基于电感或电容式开关变换器供电。相反，CCFL则需要很高的交流电压（200VRMS～500VRMS，VRMS为交流电压有效值）供电，成本高、体积大，需采用基于变压器的电路。红光和绿光LED的正向压降为1.8～2.4V（典型值），一些常用电池即可提供足够高的电压，直接驱动这些LED。白光LED的光强与流过白光LED的电流有关，电流越大光强越高，通常白光LED满亮度输出时电流大约为20mA。数码相机和移动电话一般需要2～3只白光LED彩色LCD的背光源，PDA一般需要3～6只白光LED作为彩色LCD的背光源。白光LED可以通过并联或串联方式驱动。并联方式的缺点是白光LED电流及亮度不能自动匹配。而串联方式保持固有的匹配特性，但需要较高的驱动电压。

无论并联方式还是串联方式，大多数便携式电子设备的电池电压都不足以驱动白光LED，所以需要升压变换器。电荷泵变换器利用电容实现电压转换，尺寸小、成本最低。但是，电荷泵变换器的输出电压必须是输入电压的一定倍数（如1.5倍压模式、2倍压模式）。因此，串联白光LED通常需要基于电感式开关变换器，实现更高的升压比，而且，电感式开关变换器能够在较宽的输入电压范围内保持高效率。

在绝大多数应用中，单只白光LED是不够的，需要同时驱动几只白光LED。必须采用具有亮度控制电路的驱动器，以确保它们的发光亮度和色彩一致，即使是在电池放电或其他条件变化时，也能保证各白光LED的发光亮度一致。

如图2-21所示，给出了一组随机挑选的白光LED的电流—电压曲线，在这些白光上加载3.3V电压（上端虚线）会产生2～5mA范围的正向电流，使其发出不同亮度的白光。白光LED要求高于3V的驱动电压，若低于该电压，几只白光LED可能会完全变暗。

图2-21中的曲线显示出不同白光LED的电流、电压特性之间有相当大的差异，甚至是从同一产品批次中随机挑选的白光LED。因此，用恒定的3.3V电压（上端虚线）驱动这样几只并联的白光LED会发生不同亮度的白光。

1.驱动并联白光LED

锂离子电池在完全充满电时可以提供4.2V的输出电压，在很短的一段工作时间内会下降到标称的3.6V电压。由于锂离子电池放电，其输出电压会进一步下降到3.0V。如果白光LED直接由锂离子电池驱动，则会产生的问题是：当锂离子电池充满电时，所有的LED都被点亮，但会具有不同的光强和色彩。当锂离子电池电压下降至其标称电压时，LED光强减弱，并且白光间的差异变得更大。因此，设计中必须考虑锂离子电池电压和LED正向电压的数值，而需要计算串联限流电阻的阻值。锂离子电池能量随着放电时间延长而减少，部分白光LED将会完全熄灭。如图2-22所示为驱动并联白光LED的三种电路，三种电路调节白光LED电流的方法是：①独立调节流过每只白光LED的电流。②只调节电源电压，依靠白光LED的一致性和串联限流电阻使电流匹配。③调节流过一只白光LED的电流，依靠白光LED的一致性和串联限流电阻使其余的白光LED电流得到匹配。

1）独立调节流过每只白光LED的电流

（1）集成白光LED电流调节器。若采用一个独立电源驱动白光LED正向导通，那么，只须设计电流控制电路，以提供在白光LED满亮度时所需的驱动电流。

如图2-23所示的电路为利用MAX1916以恒定电流驱动3只白光LED，是白光LED亮度匹配的低成本解决方案。设定电流设置在所要求的白光LED最大亮度电流与最大额定电流之间；为了保持各白光LED的亮度一致，电流匹配必须有较好的匹配精度。典型的电流匹配精度为0.3%，设定电流精度为±10%。每路输出的压差小于410mV，以保持20mA电流。这样，只需4.2V即可驱动3.8V的白光LED。白光LED引脚电流设为流入SET引脚电流的230倍。为给SET引脚提供偏置电流，把电阻RSET连接到SET引脚，利用大于1.215V的电压为SET引脚提供偏置电压。采用MAX1916驱动白光LED时的三种电流调节电路如图2-24所示。

方法一：用DAC驱动RSET电阻，如图2-24（a）所示。白光LED电流是DAC输出电压减去SET引脚偏置电压的函数。DAC可以选用SOT-23封装的低成本MAX5360～MAX5365系列IC。

方法二：利用控制器的I/O引脚控制多个电阻，可组成一个简易的亮度调节器，如图2-24（b）所示。将控制引脚在高态（ON）和低态（OFF）之间切换，以得到所要求的SET引脚电流。

方法三：利用逻辑电平PWM信号驱动EN引脚，如图2-24（c）所示。许多处理器的端口都能提供占空比从0～100%的低频PWM信号。MAX1916的EN引脚的响应时间允许PWM运行在高达2kHz左右的频率。

（2）集成电荷泵升压电源与电流调节器。低成本的MAX1574/MAX1575/MAX1576电荷泵结合了升压和电流调节功能，这些器件具有较高的输出电流、很好的电流匹配精度以及较高的工作效率，并可提供自适应模式切换、过压保护，可驱动8只白光LED。

自适应切换电路对输入电压进行检测，并确定效率最高的升压比（如1倍压模式、1.5倍压模式或2倍压模式）。利用一串脉冲码，通过EN使能引脚，可以调节白光LED的亮度（相当于设置电流的百分比）。

采用MAX1574电荷泵驱动白光LED电路如图2-25所示，该电路能够以高达180mA电流驱动3只白光LED。1MHz的开关频率允许电荷泵使用小尺寸陶瓷电容。采用MAX1576Y电荷泵驱动两组白光LED电路如图2-26所示，该电路能够以高达480mA的总电流驱动两组（每组4只白光LED）白光LED。对于闪烁状态的白光LED组，允许每只白光LED电流达到100mA的电流。每组白光LED具有独立的电流设置、脉冲亮度调节和2线亮度控制。利用自适应开关，在单节锂离子电池的整个放电过程中平均效率可以达到83%。对于使用白光LED闪光灯的数码照相机，选用MAX1576Y构成白光LED驱动电路是理想选择。

MAX1575是该系列产品的另一款芯片，能够以120mA总输出电流驱动两组白光LED（主屏4只白光LED和主屏2只白光LED）。

2）采用稳压输出电源驱动电路

采用稳压输出电源驱动电路与独立调节流过每只白光LED的电流方法相似，使用稳压输出电源方法非常经济，但电流调节精度不如独立调节流过每只白光LED的电流方法。由于使用稳压输出电源方法不能实现稳流，所以流过每只白光LED的绝对电流必须保持在所要求的最大亮度电流与白光LED最大额定电流之间。电流匹配度必须足够好，以便保持亮度均匀。采用稳压输出电源驱动白光LED，流过白光LED的电流可由稳压电源的输出电压（VOUT）减去白光LED正向电压（VF），然后除以白光LED的限流电阻R确定：

如图2-27所示为典型便携式电子设备中2只白光LED的I-V特性曲线。在相同电流下，2只白光LED的电压并不相等。如图2-28所示为白光LED的电压差ΔV与电流的函数关系。

针对白光LED正向电压的匹配精度对电流匹配精度的影响，可利用式（2-9）计算流过2只白光LED电流的比值：

假设R1=R2，式（2-9）可简化为：

当输出电压VOUT非常高时，式（2-10）结果趋于1。因较高的输出电压VOUT有助于得到较好的电流匹配精度，电阻R必须与VOUT-VF成比例增大，以便保持恒定电流。较高的输出电压VOUT带来电阻R消耗的功率增大。为此在电路设计时需要折中选择电路效率和电流匹配度。

例如，以5V电源驱动3.60V的白光LED，电阻R上的电压为1.40V。若换成3.42V的白光LED，则R上的电压增加到接近1.58V，白光LED电流增加13%。需要注意的是，此时白光LED电压仅有5%的变化。

（1）绝对精度。使用稳压输出电源驱动白光LED电流的绝对误差可用式（2-8）计算出电流I后，再利用VLED与ILED的关系曲线（见图2-27）进行计算。将所期望的工作电流I对应的VLED标称电压及所选择的VOUT代入式（2-8），可以解得电阻R值。得到电阻R值后，利用白光LED数据资料中最差条件下的VF求解式（2-9），此时必须考虑温度变化对VF的影响。这样能够得出白光LED电流的范围，电流范围必须小于白光LED的最大额定值。

（2）亮度调节。在稳压输出电源驱动电路中，可通过改变VOUT调节白光LED电流。在使用同一电源时，并不推荐这种方法。可供选择的是用MOSFET与开关电阻并联组成简单的亮度调节器，如图2-29所示。但是，当需要多级亮度调节时，这种方法的成本将急剧上升。这时，应考虑采用集成方案或串联驱动方式。用MOSFET控制与R1a～R3a并联的电阻R1b～R3b的阻值，实现亮度调节。

3）稳流输出变换器

在采用稳流输出变换器驱动白光LED电路中，流过其中一只白光LED的电流通过电阻R1检测，并由变换器调节该电流。变换器类型可以是基于电感式开关变换器，也可以是电荷泵或线性稳压器。白光LED电流方程与式（2-8）相同，但条件不同，这里稳定的是I1，而不是输出电压VOUT，公式为：

由于只调节了一只白光LED的电流，其余白光LED的正向压差会导致电流误差，改进后增大R1的电路如图2-30所示。因为电流必须保持恒定，将R1分为R1a和R1b。R1b控制电流，R1a控制输出电压，可达到所要求的电流匹配度。将R1=R1a+R1b代入式（2-9）；R1=R1b代入式（2-11）。电阻R2和R3也分别设置为R2a+R2b、R3a+R3b。为此采用稳流输出变换器的电路的电流匹配通过增大R1a得到改进。

如图2-31所示为采用MAX1910/MAX1912电荷泵实现的LED电流调节电路。在图2-31中增加了亮度调节电路，且所有白光LED共用一个检测电阻，以便调节总电流。为提高效率，控制器有1.5倍压和2倍压升压模式可供选择，可提供高达120mA的输出电流，具体取决于输入电压。

2.驱动串联白光LED

驱动串联白光LED时，由于流过每只白光LED的电流相同，可以获得均匀的亮度。串联驱动的缺点是驱动电压为各白光LED正向压降相加之和，驱动器的输出电压幅值应满足LED串联后所需的驱动电压。这种串联配置需要基于电感式升压开关变换器，以便在高压时获得高效率。在选择这种类型的变换器时，必须考虑输出引脚的额定输出电压。

如表2-1所示给出了几款电感式升压开关变换器输出引脚的额定电压及可以驱动白光LED的数量。输出引脚的最大额定电压与白光LED串联后的最大电压之间需要保留一定的安全裕量，以允许过压关断。

表2-1 选择适当器件驱动所要求的串联LED

例如，MAX8596Z是专为驱动多达8只串联白光LED设计的电感式升压开关变换器，MAX8596Z的应用电路如图2-32所示。该器件具有2.6～5.5V的输入电压范围，允许单节锂离子电池或三节NiCd/NiMH电池为IC供电。MAX8596Z采用节省空间的8引脚TDFN封装，工作于1MHz频率的PWM方式，因此，允许选用小巧的外部元件。MAX8596Z具有32～36V的过压锁存门限，当出现白光LED开路时能够有效保护IC。另外，器件还具有高温降低额定输出功能。当温度超过+42°C时输出电流降低，以便减小白光LED的功耗。

可用任意直流电压或未经滤波的PWM信号驱动MAX8596Z的CTRL引脚，实现白光LED电流的调节。0.24～1.72V的CTRL引脚电压可实现驱动白光LED从最暗到满亮度。超过1.72V时，输出电流被钳位在最大值。采用200Hz～200kHz的PWM信号，误差信号放大器的补偿电容可用做PWM信号滤波，图2-32所示的电路不需要输入滤波器。

2.2.4 白光LED的驱动电路

1.开关式升压变换器驱动白光LED电路

白光LED的应用使闪光灯进入了更新的应用领域，其所显出的可靠性、耐久性及白光LED功耗控制能力使白光LED在闪光灯中极具吸引力。在采用白炽灯时，对器件的电源管理只是简单的开关切换。然而白光LED不能直接采用闪光灯中电池进行工作，因为它要求的电压是介于2.8～4V之间的，而相比之下电池电压只有1.8～3V。

采用开关升压变换器驱动白光LED电路如图2-33所示。升压变换器TPS6200X可以产生白光LED所需要的高电压。内部升压功率级可连接引脚VIN与PGNO，从而为输出引脚L提供电流。此电路通过打开输出端开关进行工作，一旦电感器L1储存了足够的能量，输出端开关即关闭。电感器储存的能量转移到输出电容器C1。由于输出端与输入端的开关是MOSFET，因此压降低于二极管方案，从而可以实现高的效率。变换器TPS6200X通过检测电阻器能监控流经白光LED的电流，同时将检测电压与变换器TPS6200X中的内部0.45V参考电压进行对比，以实现调节功能（电流与照度是检测电阻器端电压的函数）。虽然TPS6200X的内部参考电压比其他大多数变换器的电压要低，但也会造成功率损耗。在采用的白光LED电压为2.8～4V时，会使效率降低10～14%。应通过降低电阻器值，并采用放大器实现低电压以降低这种损耗。

有无电阻检测电路的效率曲线如图2-34所示，电路工作效率在正常的电池电压范围内可达到80%以上，但是随着电池电压逐步降低到接近终止电压时，效率也会逐步降低。当无电阻检测，在高输入电压时，效率接近95%，而在低输入电压时，效率将降低到80%。曲线的趋势源自两个相关的效应：一是在高输入电压时，输入电流和开关电流较低，因此，传导和开关损耗较低；二是与自耦变压器极其类似，升压级不处理总输入功率。功率级处理的功率量与升压电压相关，或者与输入电压和白光LED电压之间的压差相关。在此设计中，白光LED电压大约为8.7V，因此，在8.2V的高压线路上，功率级只处理功率的13%。在电流高得多的低压线路上，功率级可以处理4倍功率，也就是说要处理50%的功率。

2.白光LED的控制电路

白光LED为电流驱动器件，光输出强度由流过LED的电流决定。如图2-35所示为由电压源和限流电阻构成的一种简单偏置电路，流过白光LED的电流由下式确定：

式中RLIM——限流电阻，在图2-35中RLIM分别为R1、R2、R3。

这种方式成本较低，但要求LED参数要一致。图2-36、图2-37为25℃时白光LED的正向电压（典型值）与导通电流关系曲线。从电流指标可以看出：对于GaAsP-LED的正向电压VF可以上升到2.7V（高出典型值40%）；对于白光InGaN-LED的正向电压VF可以上升到4.2V（高出典型值20%）。如果系统中需要多只白光LED，例如，移动电话显示器背光需要采用8只白光LED，按照图2-35的设计方案将需要多个限流电阻，占用较大的印制电路板面积。

如果将VCC增大到VF的10倍以上，可以减弱VF变化的影响，但耗电较大，不符合电池供电电子设备的需求。对于采用单节锂离子电池供电的电子设备，锂离子电池电压的变化范围为3～4.2V。如果白光LED的偏置电路只是简单的由锂离子电池和限流电阻提供的，输出亮度将会产生明显的变化。合理的方案应该是采用电流偏置电路。

1）电流偏置电路

电流偏置电路实际上是用1个电流源为白光LED提供偏置。如果电流源具有足够的动态范围，这种偏置方式将不受VF变化的影响。如图2-38所示为电流偏置方案的原理图。该电路将图2-35中的限流电阻用电流源替代。LED的光输出强度与电源和正向电压无关，只要有足够的电源电压为电流源和LED提供偏置即可。图2-38中的Q1为使能控制开关。

MAX1916为专用白光LED驱动IC，MAX1916提供了一种先进的白光LED电流偏置电路。MAX1916在微型SOT-23封装内集成了3组电流源，流过RSET的电流镜像到3个输出端，如图2-39所示。电路中几个相同的MOSFET具有相同的栅源电源，因此，它们的沟道电流相同，电流的大小由镜电流ISET决定。MAX1916的电流最大失配度为±5%，“镜像系数”为200∶1（200A/A）。也就是说，当ISET为50μA时，每个输出端的电流为10×（1±0.05）mA（最大）。SET端由内部偏置在1.25V。ISET由下式决定：

IOUT=200ISET （2-14）

每路电流之间偏差为±5%。输出端饱和电压为

VOUT（SAT）=RDS（ON）×IOUT （2-15）

MAX1916的漏源电阻在整个温度范围内保证不高于50Ω，一个工作电流为2mA的GaAsP-LED保证正常工作所需要的最低电压是：VF+100mV，2.71V的输入电压能够将GaAsP-LED工作电压维持到2.7V。为了获得更低的压差和更高的输出电流，可以将MAX1916的三路输出并联构成“镜像系数”为600A/A的电流源，MAX1916输出并联电路如图2-40所示，并联后的漏源电阻为50/3=16.67Ω（最大值）。这种连接方式允许单只白光LED在3V供电时电流达到20mA以上，满足目前便携式移动电话等产品对背光源的要求。用于设置端电流的电压源可以由带载能力较强的主电源单独提供，例如，在移动电话中，VSET可以由射频（RF）电路的低噪声+2.8V电源提供。如果直接由单节锂离子电池供电，MAX1916适用于驱动正向电压较低的GaAsP-LED，而对于正向电压较高的白光InGaN-LED则需采用其他驱动方案。因为由锂离子电池供电时，随着电池的放电，输入电压可能无法满足白光LED所要求的偏置电压。

2）电荷泵升压变换器驱动白光LED解决方案

对于正向电压在3.5～4.2V（在20mA条件下）的白光LED通常需要升压变换器，可以用电荷泵（如MAX682～MAX684）与MAX1916共同构成白光LED的驱动电路，如图2-41所示。MAX682～MAX684能够将2.7V的输入电压转换为5.05V输出，输出电流能够分别达到250mA、100mA、50mA。利用MAX684的关断控制引脚或MAX1916的使能控制引脚可以关闭白光LED。在图2-41电路中，MAX684在关断模式下，电源电流降至22μA；RSET=43kΩ时，白光LED电流为22mA。

利用电荷泵构成的白光LED电流控制电路如图2-42所示，反馈调节电压的典型值为1.235V，IOUT=1.235/RSENSE，选用24Ω的检流电阻能够为白光LED提供50mA电流。电荷泵工作时，输出电压上升至白光LED的开启电压，白光LED开始导通。白光LED的典型正向电压为3.5×（1±0.1）V，加上反馈调节电压，MAX1795输出端提供的偏置电压为4.735V。该电路输出电压的纹波在40mV以内，不会导致白光LED输出产生明显变化，通常肉眼觉察不到。另外，图2-42电路在关断状态下输入与输出之间没有直流通路。

3）基于电感变换器驱动白光LED解决方案

对于有更高功率要求的应用，可采用基于电感的MAX1848驱动器，MAX1848的外部电路只需要极少的元件，输出功率为800mW时转换效率达88%。MAX1848将升压变换器与电流控制电路集成在6引脚SOT-23封装内，利用电流检测驱动3组白光LED，每组LED包括3只串联连接的白光LED，电感式升压变换器驱动多只白光LED电路如图2-43所示。MAX1848的输入电压范围为2.6～5.5V，MAX1848利用电压反馈调节流过白光LED的电流，较小的检流电阻（5Ω）有利于节省功耗、保持较高的转换效率。在MAX1848典型应用电路中的器件参数为：L1=33μH，CCOMP=150nF，COUT=1.0μF，RSENSE=5Ω。白光LED电流由控制电压确定：。

白光LED的亮度可以通过CTRL引脚的DAC调节或电位器分压电路调节，电压控制范围为+250mV～+5.5V，将控制引脚接地可实现关断。

4）MAX1984驱动白色LED电路

MAX1984器件的主要特点有：采用转换效率高于95%的升压式同步整流DC/DC变换器，并且不需要外部肖特基二极管，工作频率为1MHz，可减小外部电感及电容的尺寸；驱动器总的效率高达90%；MAX1984可驱动8只白光LED，其电流不匹配最大值为8%；可设定最大白光LED电流；有三种方式可调节白光LED的亮度；可选择某些白光LED亮、某些不亮；该电路在关闭状态时耗电0.1A（典型值）；有独特的0.5mA测试模式；内部有过压保护；工作电压范围2.7～5.5V；有低压锁存功能（2.4V）；20引脚小尺寸4mm×4mm QFN封装；工作温度-40℃～+85℃。

MAX1984的典型应用电路如图2-44所示。

（1）亮度调节。白色LED的发光亮度能通过SETI端的电流选择（通过LED的电流为15%～100%），有三种调节模式：PWM模式、模拟电压模式及2位或3位并行控制模式。

最大白光LED电流（ILED（FS））由SETI端来设定：SETI端接IN端，ILED（FS）=18mA；SE-TI端接GND端，白光LED电流为0.5mA检测模式；SETI端接一个电阻RSETI时，ILED（FS）与RSETI的关系为：

其中，设定系数K=3851；VREF=1.25V。

将MODE端及BITC端接IN端，BITB端悬空，PWM信号由BITB输入。白光LED的电流ILED由下式决定：

ILED=D×ILED（FS） （2-17）

式中ILED（FS）——由SETI端设定的电流值；

D——PWM信号的占空比。

白光LED平均电压是通过内部的一个RC滤波器获得的，其时间常数为0.1ms，适用PWM频率为10kHz～2MHz。若采用更低的频率，则需要在BITB端外接一个电容CEXT到地，以增加其时间常数。PWM的占空比调节范围为20%～100%。在PWM模式时，当D小于5%，并且BITC接低电平时，它进入关闭模式。

将MODE端、BITA端及BITC端连接到IN端，直流控制电压从BITB端输入，其电压范围为0.938～140mV。

在3位并行控制时，MODE端接GND端；在2位并行控制时，MODE端接IN端，BITC端接地。

（2）关闭状态控制。在不同的亮度控制模式时，其关闭控制方式也不同：在PWM控制时，若BITA端输入的占空比小于5%（典型值），器件被关闭；在模拟电压控制时，在BI-TA端及BITB端都是低电平时，器件被关闭；在并行控制时，BITA端、BITB端、BITC端都是低电平时，器件被关闭。

（3）有关组件参数的选择。

①电感器。由于振荡器工作频率达1MHz，所以可采用低剖面高度的贴片式电感器，电感器为10μH。所采用电感器的饱和电流应大于内部开关的限制电流（0.65A），磁性材料要满足1MHz的频率要求，采用有屏蔽的电感器可减少EMI的影响。

②输出电容器。输出电容器用于电路稳定及减小输出纹波电压。该电路输出电容采用4.7μF（或采用两个2.2μF电容并联）的贴片式陶瓷电容器，不仅温度稳定性好，并且等效串联电阻（ESR）小，有较小的纹波电压及更好的效率。输出电容器的额定电压取10V。

③输入电容器。输入电容器可减小电源端的峰值电流值及噪声输入，一般输入电容的容量与输出电容的容量相等，或者小于输出电容。此电容器尽量接近IN端（小于5mm）。若输入电容器不是采用贴片式多层陶瓷电容器，则需要另加一个0.1μF陶瓷电容以滤掉高频噪声。

3.利用LDO改善白光LED电流的匹配精度

在白光LED应用中最明显的问题是产品的匹配性差，按照白光LED的典型规格，电流为20mA时正向电压的最小值为3.0V、典型值为3.5V、最大值为4.0V。显然，稳压源不是合理的解决方案。利用相同的电流驱动每只LED可以获得均匀亮度，但成本很高。大多数应用只是简单地利用固定偏置电压和限流电阻，获得近似匹配的白光LED亮度，如图2-45所示。

按照图2-45设计电路通常可以得到相当好的亮度匹配。对于大批量生产的白光LED，同一批次的产品具有相当一致的特征指标，但不同批次之间一致性较差。这就需要对每一批次的白光LED进行测试、为其配置限流电阻。如果存在多个白光LED由不同生产商生产时问题将更加严重。选用了三个厂商生产的白光LED（用A、B、C表示），分别按照图2-45所示的电路进行测试，测试结果如表2-2所示。标号为A的白光LED选自一级白光LED生产商的产品，标号为B的白光LED选自二级白光LED生产商的产品，标号为C的白光LED是从电子市场购买的白光LED。从测试结果看，不同厂商生产的白光LED一致性较差，比标准电流平均偏差2.2mA。

标准平均电流为20mA，[（24.6-20）+（20-18.3）+（20-19.7）]/3=2.2mA。

表2-2 不同厂商白光LED的测试结果

从表2-2中的“平均值”项可以看出，不同厂商提供的白光LED一致性较差，A厂商提供的白光LED吸取电流最大（平均24.6mA），B厂商提供的白光LED吸取电流最小（平均18.3mA）。不同厂商的白光LED在采用相同偏置电压、相同的限流电阻时电流差别较大。

单独调节每只白光LED的电流或至少对其中一只白光LED的电流进行调节，可以提高不同厂商或同一厂商不同批次白光LED的一致性，但这需要相当昂贵的控制芯片。在对成本要求苛刻的产品中，可以利用低压差线性稳压器（LDO）改善白光LED的一致性，无须选择阻值不同的限流电阻，具体电路如图2-46所示。在图2-46中LDO工作在稳压稳流模式下，根据一只白光LED的正向电压的变化自动调节偏置电压。

在图2-46所示的电路中增加一片低成本的LDO，可自动调节偏置电压，有效改善不同批次、不同厂商白光LED的匹配精度。为考核图2-46的电路性能，将上述A、B、C三种白光LED按照图2-46电路连接进行了测试，测试结果如表2-3所示。比较表2-2和表2-3可以得出：相同厂商白光LED电流的一致性略有下降，但不同厂商的白光LED电流的一致性得到了较大改善，均方误差由2.2mA降低至0.767mA。

标准平均电流为20mA，[（20.7-20）+（20.5-20）+（20-18.9）]/3=0.767mA。

表2-3 利用图2-46电路测试三种不同厂商白光LED的结果

图2-46所示的电路需选择带有外部电压调节引脚的LDO，如MAX8863，其反馈门限为1.25V（VSET）。选用SOT-23封装的LDO可提高系统的性价比，因为多数SOT-23封装的LDO带有关断控制，从而省去了图2-45电路中控制白光LED通断或PWM亮度调节的N沟道MOSFET。另外，LDO还具有较宽的输入电压范围，当与其他电路共用同一5V电源时可以提供较高的电源抑制比（PSRR）。

如图2-47所示的电路为对图2-46电路的改进，每只白光LED的电流为15mA，满足便携式电子设备的背光源要求。MAX8863可以驱动8只白光LED，每只白光LED电流为15mA。当白光LED正向电压较低或限流电阻的电流低于15mA时，所允许的输入电压更低。图2-47所示的电路对不同厂商、不同批次的白光LED可提供较好的亮度匹配。

4.工作在降压模式的升压变换器驱动白光LED方案

图2-48所示的电路提供了一种驱动大功率白光LED的解决方案，即利用工作在“降压”模式的标准升压变换器驱动白光LED。这种解决方案的效率高达96%，与效率只有85%的标准方案相比，它具有很多实际优点。

当MOSFET（Q1）导通时，电流从输入端流过白光LED、并联滤波电容器（C2）、电感（L1）、Q1及检测电阻（R1），其电流值由检测电阻值和ZXSC310的检测电压阈值（通常为19mV）所决定。

一旦电流达到所设定的相应峰值电流，MOSFET就关断并保持1.7ms。在这个时间内，储存在电感内的电能通过肖特基二极管转移到白光LED，从而保持白光LED的亮度。

该电路对输入电压和串联白光LED的数量没有限制，为适用更高的输入电压，必须适当地调整C1、R2、C2的值以适应输入电压的变化。对于更大数目的白光LED，最小输入电压必须大于串联白光LED的正向电压降。

通过采用降压模式的升压变换器方案，可以用一个低端N沟道MOSFET代替典型降压型变换器中常见的高端P沟道MOSFET。N沟道MOSFET器件的固有导通损耗比尺寸相同的P沟道MOSFET器件的导通损耗低三倍。当然，在典型的降压变换器电路中也可以使用N沟道MOSFET，但需要额外配备用于驱动的自举电路。低端开关的峰值检测电流也可以地为参考，这与高端电流检测相比，可提高精度并减小噪声。

通过在间断工作模式下采用升压方法，控制回路可工作在电流模式，为变换器提供周期性控制。这使该变换器从根本上保持稳定，与电压模式的降压变换器相比，设计得以简化。

上述方案的另外一个特点是，因为当电感处于充电状态时电流流过白光LED，所以白光LED电流的平均峰值电流将减小，这样在相同白光LED亮度下可将峰值电流设置得更小，从而进一步改善效率、可靠性及输入噪声性能。

2.2.5 白光LED工作电流的匹配

白光LED应用于LCD背光源或其他照明时，有两个重要的理由来支持为什么需要以设定电流的方式来驱动它：①采用设定电流方式可保证白光LED工作在其额定电流的范围内，因此提高了白光LED工作的可靠性；②可以获得预期的白光LED工作电流的匹配精度，使各白光LED的亮度和色度保持一致。

白光LED在20mA电流下，其正向电压介于3.0～4.0V之间，假设仅简单地加上固定的正向电压，那么正向电流的差异可能相当大。如图2-49所示为在两个生产厂中各选3只共6只白光LED的正向电流与正向电压特性，如果采用3.4V的电压驱动这6只LED，白光LED因生产厂的不同，将会造成10～44mA的正向电流差异。

为保证可靠性，驱动白光LED的电流必须低于白光LED额定值的要求，典型最大值一般为30mA，但是，从图2-50可以看出：当环境温度升高时所允许的额定电流会降低，例如，当温度达到50℃时电流需限制在20mA以内。通过对比图2-49、图2-50不难得出这样的结论：采用恒压方式驱动白色LED的方案可靠性较差。另外，用恒定电流驱动白色LED还可以获得亮度和色度的一致性。

如图2-51所示为常见的白光LED四种驱动电路，白光LED正向电压VF的差异会因为所采用的稳压电路不同而对电流的稳定精确度造成不同的影响。

图2-51（a）中的电路为采用电压稳压器与限流电阻来控制白光LED的电流，该电路的优点是可以选用多种电压稳压器，同时只须将稳压器的一端连接到白光LED上；缺点是由于限流电阻所带来的功率损耗以及白光LED的正向电流没有被精确控制，因此效率不佳。如图2-52（a）所示为采用图2-51（a）所示电路驱动6只白光LED时电压源与限流电阻的曲线图，6只白光LED电流变化范围为14.2～18.4mA，A厂的产品平均亮度比B厂的产品高大约2mA。

图2-51（b）中的电路实现了对LED电流的控制，其中限流电阻则用来控制各LED间电流的匹配精度，该电路驱动同一生产厂同批次的LED匹配精度较高，而对不同生产厂不同批次的LED匹配精度较差。如图2-52（b）所示为采用图2-51（b）所示电路驱动6只白光LED时电流源与限流电阻曲线图，6只电流变化范围为15.4～16.9mA。由图2-52（b）得出，厂A生产的白光LED间的差异最小，厂A与厂B的平均电流都大约为17.5mA。图2-51（b）所示电路的缺点是在限流电阻上还有一定的功率消耗，同时白光LED的电流也无法实现高精度的匹配。

图2-51（c）中的电路为独立控制每只白光LED的电流而不需使用限流电阻，在这里电流的稳定精确度与匹配精度由每个独立电流控制器的精确度所决定，采用MAX1570变换器可达到2%的电流精确度以及0.3%的电流匹配精度。如图2-52（c）所示为采用图2-51（c）所示电路驱动6只白光LED时，白光LED电流稳定在17.5mA，取消限流电阻虽然可以节省印制电路板空间，但在稳压器与白光LED之间增加了四个连接点。

图2-51（d）中的电路则为采用电感式升压变换器来稳定白光LED电流的，其中反馈电压可以将电流检测电阻的功率损耗降到最低。由于白光LED是以串行方式连接的，因此在任何情况下白光LED电流都能完美地匹配，电流的精确度则由稳压器的反馈电压精确度决定，不受白光LED正向电压变化的影响，采用MAX1848驱动3只白光LED时，效率可达87%。采用MAX1561驱动6只白光LED时，效率可达84%。该电路的优点是：在稳压器与白光LED之间只需两个连接点，同时串行连接的白光LED也不受所采用升压变换器的影响。