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摘要：白光LED被普遍用作便攜設備LCD的背光源，原因是他們復雜程度較低、花費較少且尺寸小于CCFL背光源。PDA、手機和數碼相機等便攜設備已逐步過渡到彩色LCD顯示屏，因此，越來越多的產品需要背光源。本文討論用于串聯或并聯白光LED供電的電荷泵和電感升壓轉換方案，采用電壓調節或電流調節控制器。本文還討論了對尺寸、效率、電池壽命及LED匹配的折衷考慮。
隨著手機、PDA及數碼相機越來越多地使用彩色LCD顯示器，白光LED成為一種通用的照明源。單色顯示器可以使用電致發光背光燈或彩色LED作為背光源，而彩色顯示器則需要白光燈源，以正確顯示色彩。
主要有兩種方法提供白光燈源：白光LED和CCFL (冷陰極熒光燈)。CCFL在筆記本電腦中已經應用了很多年。但是，考慮到光源尺寸、復雜性及成本優勢，白光LED成為小型手持設備的首選光源。
白光LED只需較低的直流電壓(3V與4V之間)，也就是說，可以采用簡單的基于電感或電容的電路供電。相反，CCFL則需要很高的交流電壓(200VRMS至500VRMS)供電，成本高、體積大，需采用基于變壓器的電路(圖1)。
圖1. CCFL電路需要變壓器為熒光燈管提供高壓。
紅光和綠光LED的正向壓降為1.8V至2.4V (典型值)，一些常用電池即可提供足夠高的電壓，直接驅動這些LED。然而，白光LED的正向壓降為3V至4V (典型值)，通常需要一個獨立電源供電。
可以通過并聯或串聯方式驅動LED，如圖2所示。并聯方式的缺點是LED電流及亮度不能自動匹配。串聯方式保持固有的匹配特性，但需要更高的供電電壓。
圖2. 方式A (LED并聯)，所需電壓較低；方式B (LED串聯)，可提供最佳匹配。
無論是并聯方式還是串聯方式，大多數手持設備的電池電壓都不足以驅動LED，所以需要升壓轉換器。電荷泵轉換器利用小電容實現電壓轉換，尺寸最小、成本最低。但是，電荷泵轉換器只能產生輸入電壓的倍數(如：1.5倍、2倍)。因此，串聯LED通常需要基于電感的轉換器。利用基于電感的轉換器，可輕松實現更高的升壓比，而且，能夠在較寬的輸入至輸出電壓范圍內保持高效。
圖3. 圖中給出了三種驅動并聯LED的方法：A) 獨立調節每個LED的電流；B) 調節輸出電壓，依靠LED的一致性和串聯電阻使電流匹配；C) 調節流過一個LED的電流，依靠LED的一致性和串聯電阻使其余的LED電流匹配。
若有一個足夠高的電源驅動LED正向導通，那么，只需設計電流控制電路，并可提供足夠的電流驅動滿亮度下的所有LED。
圖4所示電路利用MAX1916以恒定電流驅動三個白光LED，是LED亮度匹配的低成本解決方案。絕對電流設置在所要求的LED最大亮度電流與最大額定電流之間；為了保持顯示器亮度一致，電流匹配必須足夠好。典型的電流匹配度為0.3%，絕對電流精度為±10%。每路輸出的壓差小于410mV，以保持20mA電流。這樣，只需4.2V即可驅動3.8V的LED。LED引腳電流設為流入SET引腳電流的230倍。為給SET引腳提供偏置電流，需要把RSET連接到大于1.215V SET引腳偏置電壓的電壓。
圖4. MAX1916采用SOT23封裝，提供0.3%的電流匹配度。
圖5. MAX1916驅動白光LED時的三種電流調節方法。
有多種動態調節LED亮度的方法，如圖5所示。
一種方法是：用DAC驅動RSET (圖5A)。LED電流是DAC輸出電壓減去SET引腳偏置電壓的函數。DAC可以選用SOT23封裝的低成本MAX5360-MAX5365系列。
利用控制器的I/O引腳控制多個電阻，可組成一個簡易的亮度調節器，如圖5B所示。將控制引腳在高電(on)和三態(off)之間切換，以得到所要求的SET引腳電流。
最后一種方法是：利用邏輯電平PWM信號驅動ENABLE引腳(圖5C)。許多處理器的端口都能提供占空比從0至100%的低頻PWM信號。MAX1916 ENABLE引腳的響應時間允許PWM運行在高達2kHz左右的頻率。
集成電荷泵升壓電源與電流調節器
如果系統已有的電源不合適，則需選擇專用的LED電源。低成本的MAX1574/MAX1575/MAX1576電荷泵控制器結合了升壓電源和電流調節功能。這些器件具有較高的輸出電流、很好的電流匹配度以及較高的工作效率，并可提供自適應模式切換、過壓保護，可驅動8個LED。
自適應切換電路對輸入電壓進行檢測，并確定效率最高的升壓比(例如，1倍、1.5倍或2倍)。利用一串脈沖碼，通過Dual Mode?使能引腳，可以調節亮度(相當于設置電流的百分比)。
圖6所示MAX1574電荷泵能夠以高達180mA的總電流驅動三個LED。1MHz的開關頻率允許電荷泵使用小尺寸陶瓷電容。
圖7所示MAX1576電荷泵能夠以高達480mA的總電流驅動兩組、每組四個LED。對于閃爍狀態的LED組，允許每個LED電流達到100mA的電流。每組LED具有獨立的電流設置、脈沖亮度調節和2線亮度控制。利用自適應開關，在單節鋰電池的整個放電過程中(圖8)平均效率可以達到83%。對于使用LED閃光燈的數碼照相機，MAX1576是理想選擇。
MAX1575是該系列產品的另一款芯片，能夠以120mA總輸出電流驅動兩組LED (四個主屏LED和兩個子屏LED)。
圖6. 提供一組LED電流源的MA1574電荷泵
圖7. 提供兩組LED電流源的MA1576電荷泵
圖8. MAX1576在典型鋰電池電壓下的效率
參考圖3中的方法B，通過任意LED上的電流可由電源的輸出電壓(VOUT)減去正向LED電壓(VD)，然后除以R決定：
I = (VOUT - VD)/R (式1)
圖9A所示為典型手持設備中兩個白光LED的I-V曲線圖。相同電流下，二極管的電壓并不相等。圖9B所示為白光LED之間的電壓差與電流的函數關系。
圖9A. 典型手持設備中兩個白光LED的I-V曲線圖
圖9B. 兩個白光LED間的電壓差與電流的對應關系
LED電流的匹配
為了理解正向電壓的匹配度對電流匹配度的影響，可利用式1計算LED電流的比值。例如，I1與I2的比值為：
I1/I2 = R2/R1 ((VOUT - VD1)/(VOUT - VD2)) (式2)
假設R1 = R2，式2可簡化為：
I1/I2 = (VOUT - VD1)/(VOUT - VD2) (式3)
當VOUT非常大時，式3結果趨于1。因此較高的VOUT有助于得到較好的電流匹配度。R必須與VOUT - VD成比例增大，以便保持恒定電流。較高的VOUT帶來的損失是R消耗的功率越大。需要折衷選擇效率和電流匹配度。
例如，以5V電源驅動3.60V的LED，R上的電壓為1.40V。若換成3.42V的LED，則R上的電壓增加到接近1.58V，LED電流增加13%；需要注意的是：此時LED電壓僅有5%的變化。這個例子表明了需要合理選擇效率和匹配度。
絕對精度
圖3中方法B的LED電流絕對誤差可用式1計算。對于所選擇的LED，利用VD與ID的關系曲線(圖9A)進行計算。
將所期望的工作電流I、電流I對應的VD標稱電壓(由圖可知)及所選擇的VOUT代入式1，可以解得R值。得到R值后，利用LED數據資料中最差條件下的VD求解式1。須考慮溫度變化對VD的影響。這樣能夠得出LED電流的范圍，電流范圍必須小于LED的最大額定值。
亮度調節
圖3方法B中，可通過改變VOUT調節LED電流。在使用同一電源時，并不推薦這種方法。可供選擇的是，用MOSFET與開關電阻并聯組成簡單的亮度調節器(圖10)。但是，當需要多級亮度調節時，這種方法的成本將急劇增高。這時，應考慮圖6所示集成方案或串聯驅動方式(下面討論)。
圖10. 用MOSFET控制與R1a至R3a并聯的電阻R1b至R3b，進行亮度調節
LED電流方程與式1相同，方便起見，將其列于下方：
I = (VOUT - VD)/R (式4)
但條件與前面不同，這里穩定的是I1，而不是VOUT，公式為：
I1 = VFEEDBACK/R1 (式5)
由于只調節了一個電流，其余LED的正向壓差會導致電流誤差，與上述討論相同。此外，該方案按照圖11所示改進后的方法增大R1。
圖11. 圖3方法C所示電路的電流匹配通過增大R1A得到改進。對于所選擇的電流，R1B必須保持恒定。將R2和R3設置為R1A + R1B。
因為電流必須保持恒定，將R1分為R1A和R1B。R1B控制電流，R1A控制額外的輸出電壓，已達到所要求的電流匹配度。將R1 = R1A + R1B代入式4；R1 = R1B代入式5。為使電流匹配，R2和R3設置為R1A + R1B。
圖12所示電路利用MAX1910/MAX1912電荷泵實現電流調節。圖中增加了亮度調節輸入，且所有LED共用一個檢測電阻，以便調節總電流。為提高效率，這些控制器提供1.5倍和2倍升壓選擇。可提供高達120mA的輸出電流，具體取決于輸入電壓。詳細信息請參考數據資料。
圖12. 帶亮度調節控制的MAX1910/MAX1912
有幾款型號根據其Lx引腳的額定電壓，可以驅動不同數量的串聯LED，如表1所示。Lx引腳的最大額定電壓與LED串兒的最大電壓之間需要保留一定的安全裕量，以允許過壓關斷。
表1. 選擇適當器件驅動所要求的串聯LED
例如，MAX8596Z是專為驅動多達八個串聯(圖13)白光LED設計的開關調節器。該器件具有2.6V至5.5V的輸入電壓范圍，允許單節鋰電池或三節NiCd/NiMH電池為IC供電。MAX8596Z采用節省空間的8引腳TDFN封裝。工作在高速1MHz PWM方式，因此，允許選用小巧的外部元件。32V至36V的過壓鎖存門限當出現LED開路時能夠有效保護IC。另外，器件還具有高溫降額功能。超過42°C時輸出電流降低，以便減小LED的功耗。
圖13. MAX8596Z開關調節器驅動多達8個串聯白光LED
用任意直流電壓或未經濾波的PWM信號驅動CTRL引腳， 可以調節LED電流。0.24V至1.72V的CTRL引腳電壓驅動LED從最暗到滿亮度。超過1.72V時，輸出電流被箝位在最大值。可以采用200Hz至200kHz的PWM信號，誤差信號放大器及補償電容用作PWM信號濾波，不需要輸入濾波器。
MAX8596Z驅動不同數量LED時的效率如圖14所示。最大效率超過85%。
圖14. 圖13所示電路中MAX8596Z的效率
隨著手機、PDA及數碼相機越來越多地使用彩色LCD顯示器，白光LED成為一種通用的照明源。單色顯示器可以使用電致發光背光燈或彩色LED作為背光源，而彩色顯示器則需要白光燈源，以正確顯示色彩。
主要有兩種方法提供白光燈源：白光LED和CCFL (冷陰極熒光燈)。CCFL在筆記本電腦中已經應用了很多年。但是，考慮到光源尺寸、復雜性及成本優勢，白光LED成為小型手持設備的首選光源。
白光LED只需較低的直流電壓(3V與4V之間)，也就是說，可以采用簡單的基于電感或電容的電路供電。相反，CCFL則需要很高的交流電壓(200VRMS至500VRMS)供電，成本高、體積大，需采用基于變壓器的電路(圖1)。
圖1. CCFL電路需要變壓器為熒光燈管提供高壓。
紅光和綠光LED的正向壓降為1.8V至2.4V (典型值)，一些常用電池即可提供足夠高的電壓，直接驅動這些LED。然而，白光LED的正向壓降為3V至4V (典型值)，通常需要一個獨立電源供電。
驅動LED
光強與流過LED的電流有關，電流越大光強越高。滿亮度輸出時電流大約為20mA。數碼相機和蜂窩電話一般需要2至3個LED，PDA一般需要3至6個LED背光。可以通過并聯或串聯方式驅動LED，如圖2所示。并聯方式的缺點是LED電流及亮度不能自動匹配。串聯方式保持固有的匹配特性，但需要更高的供電電壓。
圖2. 方式A (LED并聯)，所需電壓較低；方式B (LED串聯)，可提供最佳匹配。
無論是并聯方式還是串聯方式，大多數手持設備的電池電壓都不足以驅動LED，所以需要升壓轉換器。電荷泵轉換器利用小電容實現電壓轉換，尺寸最小、成本最低。但是，電荷泵轉換器只能產生輸入電壓的倍數(如：1.5倍、2倍)。因此，串聯LED通常需要基于電感的轉換器。利用基于電感的轉換器，可輕松實現更高的升壓比，而且，能夠在較寬的輸入至輸出電壓范圍內保持高效。
驅動并聯LED
圖3所示是驅動并聯LED的三種主要方法：- 利用現有電源獨立調節流過每個LED的電流。
- 只調節電源電壓，依靠LED的一致性和串聯電阻使電流匹配。
- 調節流過一個LED的電流，依靠LED的一致性和串聯電阻使其余的LED電流匹配。
圖3. 圖中給出了三種驅動并聯LED的方法：A) 獨立調節每個LED的電流；B) 調節輸出電壓，依靠LED的一致性和串聯電阻使電流匹配；C) 調節流過一個LED的電流，依靠LED的一致性和串聯電阻使其余的LED電流匹配。
方法A. 獨立調節流過每個LED的電流
集成LED電流調節器若有一個足夠高的電源驅動LED正向導通，那么，只需設計電流控制電路，并可提供足夠的電流驅動滿亮度下的所有LED。
圖4所示電路利用MAX1916以恒定電流驅動三個白光LED，是LED亮度匹配的低成本解決方案。絕對電流設置在所要求的LED最大亮度電流與最大額定電流之間；為了保持顯示器亮度一致，電流匹配必須足夠好。典型的電流匹配度為0.3%，絕對電流精度為±10%。每路輸出的壓差小于410mV，以保持20mA電流。這樣，只需4.2V即可驅動3.8V的LED。LED引腳電流設為流入SET引腳電流的230倍。為給SET引腳提供偏置電流，需要把RSET連接到大于1.215V SET引腳偏置電壓的電壓。
圖4. MAX1916采用SOT23封裝，提供0.3%的電流匹配度。
圖5. MAX1916驅動白光LED時的三種電流調節方法。
有多種動態調節LED亮度的方法，如圖5所示。
一種方法是：用DAC驅動RSET (圖5A)。LED電流是DAC輸出電壓減去SET引腳偏置電壓的函數。DAC可以選用SOT23封裝的低成本MAX5360-MAX5365系列。
利用控制器的I/O引腳控制多個電阻，可組成一個簡易的亮度調節器，如圖5B所示。將控制引腳在高電(on)和三態(off)之間切換，以得到所要求的SET引腳電流。
最后一種方法是：利用邏輯電平PWM信號驅動ENABLE引腳(圖5C)。許多處理器的端口都能提供占空比從0至100%的低頻PWM信號。MAX1916 ENABLE引腳的響應時間允許PWM運行在高達2kHz左右的頻率。
集成電荷泵升壓電源與電流調節器
如果系統已有的電源不合適，則需選擇專用的LED電源。低成本的MAX1574/MAX1575/MAX1576電荷泵控制器結合了升壓電源和電流調節功能。這些器件具有較高的輸出電流、很好的電流匹配度以及較高的工作效率，并可提供自適應模式切換、過壓保護，可驅動8個LED。
自適應切換電路對輸入電壓進行檢測，并確定效率最高的升壓比(例如，1倍、1.5倍或2倍)。利用一串脈沖碼，通過Dual Mode?使能引腳，可以調節亮度(相當于設置電流的百分比)。
圖6所示MAX1574電荷泵能夠以高達180mA的總電流驅動三個LED。1MHz的開關頻率允許電荷泵使用小尺寸陶瓷電容。
圖7所示MAX1576電荷泵能夠以高達480mA的總電流驅動兩組、每組四個LED。對于閃爍狀態的LED組，允許每個LED電流達到100mA的電流。每組LED具有獨立的電流設置、脈沖亮度調節和2線亮度控制。利用自適應開關，在單節鋰電池的整個放電過程中(圖8)平均效率可以達到83%。對于使用LED閃光燈的數碼照相機，MAX1576是理想選擇。
MAX1575是該系列產品的另一款芯片，能夠以120mA總輸出電流驅動兩組LED (四個主屏LED和兩個子屏LED)。
圖6. 提供一組LED電流源的MA1574電荷泵
圖7. 提供兩組LED電流源的MA1576電荷泵
圖8. MAX1576在典型鋰電池電壓下的效率
方法B. 使用穩壓輸出電源
與方法A相似，如果系統中有現成的電壓源時可以采用方法B。方法B非常經濟，但電流精度不如方法A。由于方法B不能實現穩流，所以流過每個LED的絕對電流必須保持在所要求的最大亮度電流與LED最大額定電流之間。電流匹配度必須足夠好，以便保持亮度均勻。參考圖3中的方法B，通過任意LED上的電流可由電源的輸出電壓(VOUT)減去正向LED電壓(VD)，然后除以R決定：
I = (VOUT - VD)/R (式1)
圖9A所示為典型手持設備中兩個白光LED的I-V曲線圖。相同電流下，二極管的電壓并不相等。圖9B所示為白光LED之間的電壓差與電流的函數關系。
圖9A. 典型手持設備中兩個白光LED的I-V曲線圖
圖9B. 兩個白光LED間的電壓差與電流的對應關系
LED電流的匹配
為了理解正向電壓的匹配度對電流匹配度的影響，可利用式1計算LED電流的比值。例如，I1與I2的比值為：
I1/I2 = R2/R1 ((VOUT - VD1)/(VOUT - VD2)) (式2)
假設R1 = R2，式2可簡化為：
I1/I2 = (VOUT - VD1)/(VOUT - VD2) (式3)
當VOUT非常大時，式3結果趨于1。因此較高的VOUT有助于得到較好的電流匹配度。R必須與VOUT - VD成比例增大，以便保持恒定電流。較高的VOUT帶來的損失是R消耗的功率越大。需要折衷選擇效率和電流匹配度。
例如，以5V電源驅動3.60V的LED，R上的電壓為1.40V。若換成3.42V的LED，則R上的電壓增加到接近1.58V，LED電流增加13%；需要注意的是：此時LED電壓僅有5%的變化。這個例子表明了需要合理選擇效率和匹配度。
絕對精度
圖3中方法B的LED電流絕對誤差可用式1計算。對于所選擇的LED，利用VD與ID的關系曲線(圖9A)進行計算。
將所期望的工作電流I、電流I對應的VD標稱電壓(由圖可知)及所選擇的VOUT代入式1，可以解得R值。得到R值后，利用LED數據資料中最差條件下的VD求解式1。須考慮溫度變化對VD的影響。這樣能夠得出LED電流的范圍，電流范圍必須小于LED的最大額定值。
亮度調節
圖3方法B中，可通過改變VOUT調節LED電流。在使用同一電源時，并不推薦這種方法。可供選擇的是，用MOSFET與開關電阻并聯組成簡單的亮度調節器(圖10)。但是，當需要多級亮度調節時，這種方法的成本將急劇增高。這時，應考慮圖6所示集成方案或串聯驅動方式(下面討論)。
圖10. 用MOSFET控制與R1a至R3a并聯的電阻R1b至R3b，進行亮度調節
方法C. 使用穩流輸出轉換器
圖3中的方法C給出了穩流(而不是穩壓)輸出轉換器。在此設計中，流過其中一個LED的電流通過電阻R1檢測，并由轉換器穩定調節該電流。轉換器類型可以是基于電感的轉換器，也可以是電荷泵或線性穩壓器。LED電流方程與式1相同，方便起見，將其列于下方：
I = (VOUT - VD)/R (式4)
但條件與前面不同，這里穩定的是I1，而不是VOUT，公式為：
I1 = VFEEDBACK/R1 (式5)
由于只調節了一個電流，其余LED的正向壓差會導致電流誤差，與上述討論相同。此外，該方案按照圖11所示改進后的方法增大R1。
圖11. 圖3方法C所示電路的電流匹配通過增大R1A得到改進。對于所選擇的電流，R1B必須保持恒定。將R2和R3設置為R1A + R1B。
因為電流必須保持恒定，將R1分為R1A和R1B。R1B控制電流，R1A控制額外的輸出電壓，已達到所要求的電流匹配度。將R1 = R1A + R1B代入式4；R1 = R1B代入式5。為使電流匹配，R2和R3設置為R1A + R1B。
圖12所示電路利用MAX1910/MAX1912電荷泵實現電流調節。圖中增加了亮度調節輸入，且所有LED共用一個檢測電阻，以便調節總電流。為提高效率，這些控制器提供1.5倍和2倍升壓選擇。可提供高達120mA的輸出電流，具體取決于輸入電壓。詳細信息請參考數據資料。
圖12. 帶亮度調節控制的MAX1910/MAX1912
驅動串聯LED
驅動串聯白光LED時，由于流過每個LED的電流相同，可以獲得均勻的亮度。該設計的缺點是—正向壓降相加，需要更高的驅動電壓。這種配置需要基于電感的轉換器，以便在高壓時獲得高效率。在選擇這種類型的轉換器時，必須考慮Lx引腳的額定輸出電壓。有幾款型號根據其Lx引腳的額定電壓，可以驅動不同數量的串聯LED，如表1所示。Lx引腳的最大額定電壓與LED串兒的最大電壓之間需要保留一定的安全裕量，以允許過壓關斷。
表1. 選擇適當器件驅動所要求的串聯LED
| PART | Lx PIN RATING (V) | # SERIES LEDs | PACKAGE |
| MAX1848 | 14 | 3 | 8-SOT23 |
| MAX1561/MAX1599 | 30 | 6 | 8-TDFN |
| MAX8595Z/MAX8596Z | 37 | 8 | 8-TDFN |
| MAX8595X/MAX8596X | 40 | 9 | 8-TDFN |
例如，MAX8596Z是專為驅動多達八個串聯(圖13)白光LED設計的開關調節器。該器件具有2.6V至5.5V的輸入電壓范圍，允許單節鋰電池或三節NiCd/NiMH電池為IC供電。MAX8596Z采用節省空間的8引腳TDFN封裝。工作在高速1MHz PWM方式，因此，允許選用小巧的外部元件。32V至36V的過壓鎖存門限當出現LED開路時能夠有效保護IC。另外，器件還具有高溫降額功能。超過42°C時輸出電流降低，以便減小LED的功耗。
圖13. MAX8596Z開關調節器驅動多達8個串聯白光LED
用任意直流電壓或未經濾波的PWM信號驅動CTRL引腳， 可以調節LED電流。0.24V至1.72V的CTRL引腳電壓驅動LED從最暗到滿亮度。超過1.72V時，輸出電流被箝位在最大值。可以采用200Hz至200kHz的PWM信號，誤差信號放大器及補償電容用作PWM信號濾波，不需要輸入濾波器。
MAX8596Z驅動不同數量LED時的效率如圖14所示。最大效率超過85%。
圖14. 圖13所示電路中MAX8596Z的效率
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