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如何利用低成本線性穩(wěn)壓器改善白光LED?

發(fā)布時間:2020-10-10 責任編輯:lina

【導讀】 白光發(fā)光二極管(LED)在各種照明設(shè)備中的應(yīng)用正在穩(wěn)步增長,如手持產(chǎn)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(fā)光二極管(LED)在各種照明設(shè)備中的應(yīng)用正在穩(wěn)步增長,如手持產(chǎn)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(wěn)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(fā)明了白光 LED 以來,白光 LED 的應(yīng)用得到了穩(wěn)步發(fā)展。與熒光燈相比具有使用簡單、成本低的優(yōu)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(xiàn)出穩(wěn)步上升的趨勢,在手持式產(chǎn)品中被廣泛用作閃光燈、顯示器背光等。當然,在實際應(yīng)用中針對白光 LED 也存在一些有待解決的技術(shù)問題。
 
選用白光 LED 最明顯的問題是產(chǎn)品的匹配性差,按照白光 LED 的典型規(guī)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(wěn)壓源不是合理的解決方案。利用相同的電流驅(qū)動每只 LED 可以獲得均勻亮度,但成本很高。在許多應(yīng)用中只是簡單地用一個固定偏置電壓和鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動 LED,如圖 1。 
 
如何利用低成本線性穩(wěn)壓器改善白光LED?
圖 1. 大多數(shù)應(yīng)用只是簡單地利用固定偏置電壓(本范例中采用 5V)和鎮(zhèn)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(shè)計電路通??梢缘玫较喈敽玫牧炼绕ヅ?。但對于大批量生產(chǎn)的用戶,同一批次的產(chǎn)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(zhèn)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(jié)果如表 1。
 
 如何利用低成本線性穩(wěn)壓器改善白光LED?
表 1. 為了評估圖 1 電路的生產(chǎn)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(jié)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(guī)模較大的供貨廠家的產(chǎn)品(A、B 兩種 LED)。正如所預期的那樣,來自供應(yīng)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(zhèn)流電阻時電流差別較大,均方誤差為 3.27mA。 
 
單獨調(diào)節(jié)每只 LED 的電流或至少對其中一只 LED 的電流進行調(diào)節(jié)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(chǎn)品中,可以利用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)改善 LED 的一致性,無需選擇阻值不同的鎮(zhèn)流電阻,具體電路如圖 2 所示。圖中 LDO 工作在穩(wěn)壓 - 穩(wěn)流模式下,根據(jù)一只 LED 的正向電壓的變化自動調(diào)節(jié)偏置電壓。 
 
 如何利用低成本線性穩(wěn)壓器改善白光LED?
圖 2. 添加一片低成本的 LDO,得到可自動調(diào)節(jié)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(jié)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(jié)果為 0.77mA,圖 1 所得結(jié)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(wěn)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(diào)節(jié)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(tǒng)的性價比,因為多數(shù) SOT23 封裝的 LDO 帶有關(guān)斷控制,從而省去了圖 1 電路中控制 LED 通 / 斷或 PWM 亮度調(diào)節(jié)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(tài)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(chǎn)品的背光源要求。MAX8863 可以驅(qū)動 8 只 LED,每只 LED 電流為 15mA。當 LED 正向電壓較低、或鎮(zhèn)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(wěn)壓器改善白光LED?
圖 3. MAX8863 LDO 可驅(qū)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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