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      如何利用低成本線性穩壓器改善白光LED?

      發布時間:2020-10-10 責任編輯:lina

      【導讀】 白光發光二極管(LED)在各種照明設備中的應用正在穩步增長,如手持產品中的閃光燈、顯示器背光等。與白熾燈相比,它們提供真正的白光、消耗更低的功耗。
       
      白光發光二極管(LED)在各種照明設備中的應用正在穩步增長,如手持產品中的閃光燈、顯示器背光等。與白熾燈相比,它們提供真正的白光、消耗更低的功耗。與熒光燈相比,它們更易于使用。批量使用時,白光 LED 的一致性較差,利用低成本的線性穩壓器(LDO)可以改善其匹配度,即使在采用不同 LED 的情況下。
       
      自從幾年前發明了白光 LED 以來,白光 LED 的應用得到了穩步發展。與熒光燈相比具有使用簡單、成本低的優勢,與白熾燈相比可以提供更接近于白色的光,因此,其用量在最近幾年呈現出穩步上升的趨勢,在手持式產品中被廣泛用作閃光燈、顯示器背光等。當然,在實際應用中針對白光 LED 也存在一些有待解決的技術問題。
       
      選用白光 LED 最明顯的問題是產品的匹配性差,按照白光 LED 的典型規格,電流為 20mA 時正向電壓的最小值為 3.0V、典型值為 3.5V、最大值為 4.0V。顯然,穩壓源不是合理的解決方案。利用相同的電流驅動每只 LED 可以獲得均勻亮度,但成本很高。在許多應用中只是簡單地用一個固定偏置電壓和鎮流電阻驅動 LED,如圖 1。 
       
      如何利用低成本線性穩壓器改善白光LED?
      圖 1. 大多數應用只是簡單地利用固定偏置電壓(本范例中采用 5V)和鎮流電阻(本范例中采用 75Ω),獲得近似匹配的白光 LED 亮度。
       
      按照圖 1 設計電路通常可以得到相當好的亮度匹配。但對于大批量生產的用戶,同一批次的產品具有相當一致的特征指標,但批次之間一致性較差。這就需要對每一批新的 LED 進行測試、為其配置鎮流電阻。如果存在多個 LED 供貨商問題將更加嚴重。為詳細描述上述問題,我們選用了三個廠商的 LED (分別用 A、B、C 表示)按照圖 1 所示電路作了以下測試:標號為 A 的 LED 選自一級白光 LED 供貨商,標號為 B 的 LED 選自二級白光 LED 供貨商,標號為 C 的 LED 是從電子配套市場購買的廉價 LED。測試結果如表 1。
       
       如何利用低成本線性穩壓器改善白光LED?
      表 1. 為了評估圖 1 電路的生產能力,我們對三種不同廠商提供的白光 LED 進行了測試。從測試結果看,不同商標的 LED 一致性較差,比標準平均電流偏差 3.27mA。
       
      從表 1 可以看出,同一廠商的 LED 匹配性較好,特別是來自規模較大的供貨廠家的產品(A、B 兩種 LED)。正如所預期的那樣,來自供應商 C 的不同包裝的 LED 一致性較差。三家廠商 LED 電流的平均均方誤差為 0.54mA。
       
      從表 1 的“平均值”列可以看出,不同廠商提供的 LED 一致性較差,A 廠商提供的 LED 吸取電流最大(平均 24.6mA),B 廠商提供的 LED 吸取電流最小(平均 18.3mA)。不同廠商的白光 LED 在采用相同偏置電壓、相同的鎮流電阻時電流差別較大,均方誤差為 3.27mA。 
       
      單獨調節每只 LED 的電流或至少對其中一只 LED 的電流進行調節可以提高不同廠商或同一廠商不同批次 LED 的一致性,但這需要相當昂貴的芯片。在對成本要求苛刻的產品中,可以利用低壓差線性穩壓器(LDO)改善 LED 的一致性,無需選擇阻值不同的鎮流電阻,具體電路如圖 2 所示。圖中 LDO 工作在穩壓 - 穩流模式下,根據一只 LED 的正向電壓的變化自動調節偏置電壓。 
       
       如何利用低成本線性穩壓器改善白光LED?
      圖 2. 添加一片低成本的 LDO,得到可自動調節的偏置電壓,有效改善不同批次、不同廠商白光 LED 的匹配度。
       
      為考核圖 2 電路性能,我們將上述 A、B、C 三種 LED 按照圖 2 電路連接進行了測試,測試結果如表 2。從表 2 可以計算出:相同廠商 LED 電流的一致性略有下降(圖 2 所得結果為 0.77mA,圖 1 所得結果為 0.54mA),但不同廠商的 LED 電流的一致性得到了較大改善,均方誤差由 3.27mA 降低至 0.96mA。
       
       如何利用低成本線性穩壓器改善白光LED?
      表 2. 為了評估圖 2 電路的性能,我們對相同的三組白光 LED 進行了測試,從表 2 可以看出,不同廠商提供 LED 一致性得到了改善,由表 1 所示偏離標準值 3.27mA 降至 0.96mA。
       
      圖 2 電路需選擇帶有外部電壓調節引腳的 LDO,如 MAX8863,其反饋門限為 1.25V (VSET)。選用 SOT23 封裝的 LDO 可提高系統的性價比,因為多數 SOT23 封裝的 LDO 帶有關斷控制,從而省去了圖 1 電路中控制 LED 通 / 斷或 PWM 亮度調節的 N 溝道 MOSFET。另外,LDO 還具有較寬的輸入電壓范圍,當與其它電路共用同一 5V 電源時可以提供較高的電源抑制比(PSRR)此外,由廠商 A 提供的 LED 不會運行在“熱”狀態下,無需過多考慮散熱問題。
       
      圖 3 電路是對圖 2 電路的修正,每只 LED 的電流為 15mA,適合便攜產品的背光源要求。MAX8863 可以驅動 8 只 LED,每只 LED 電流為 15mA。當 LED 正向電壓較低、或鎮流電阻的電流低于 15mA 時,所允許的輸入電壓更低。
       
       如何利用低成本線性穩壓器改善白光LED?
      圖 3. MAX8863 LDO 可驅動 8 只 LED,每只 LED 電流為 15mA。對不同廠商、不同批次的 LED 可提供較好的亮度匹配。

       
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