进入二十一世纪,能源消耗日益成为整个人类社会关注的焦点。出于对于照明的基本需求,如何更有效的利用各种能源产生更多的照明,成为探索新的照明技术的巨大驱动力。从原始的燃料照明到白炽灯,从荧光灯到各种发光材料的探索,催生出LED照明技术。在如今社会,各种媒体设备照明环境需求的差异化,进一步促进了人类探索如何利用各种高亮度LED进行照明。LED在照明方面的应用已经吸引广泛关注。

LED基本原理及性能特点

首先我们来介绍一下LED的基本原理以及性能特点。LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为PN结。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。

LED光源具有以下特点:
1.电压:LED正向导通工作电压较低,可以使用低压电源驱动,供电电压根据最终产品不同而异,是一个比较安全的照明设备,特别适用于公共场所。
2.效能:同等照度的情况下消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。
3.适用性:每个单元LED小片是3-5mm的正方形,所以可以制备成各种形状的器件,并且适合于易变的环境。
4.稳定性:通常为10万小时,光衰为初始的50%。
5.响应时间:其白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时间为纳秒级。
6.对环境污染:无有害金属汞。
7.颜色:LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关,目前有红、绿、蓝三种基本颜色。
8.价格:与白炽灯相比,LED的价格较高,几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当,不过随着技术工艺的进步,可以逐步提升性价比。

LED驱动方案

LED自问世以来,就得到人们的极大关注,LED驱动器件和驱动方式不断更新以便更加有效地驱动LED为人类照明。从早期的DC/DC开关电源到电荷泵,以及追求成本的低边驱动和LDO,人们在不同的应用情况下选用不同的驱动线路,作为市场关注的热点,便携产品的显示背光是LED背光应用的主要市场,下文将针对便携产品的背光显示,介绍当前几种常见的LED驱动方案。

1. Step-UP DC/DC开关电源实现LED驱动

该方案主要的特点在于:输入电压较低,甚至低至(单节干电池),从技术发展的角度看,串联型驱动出现的比较早,技术上也比较成熟,效率较高。典型的应用线路如图1所示。

图1:Step-UP DC/DC 开关电源实现LED驱动的典型应用线路。

对于这种应用方式,早期的驱动芯片主要采用电流反馈方式,按照VFB/Rb来确定LED的电流,DC/DC反馈电压VFB一般在左右,这限制了有效效率的进一步提升,本身DC/DC的效率在80%左右,在这种应用情况下,实际效率降低的更多,而随着技术的提高,降低VFB电压到以内,可以将有效效率提升到85%以上,尤其在驱动2-3颗灯的应用状态下。该方案的优缺点如下:

优点:技术成熟,成本相对较低,通过一些新的技术革新,例如图1所示的过压保护功能,或者采用电压电流反馈共同作用,可以得到较高的亮度一致性以及较高的安全系数,尤其以大尺寸屏幕显示的背光应用居多。由于需要较多的LED实现屏幕背光,因而亮度的一致性和均匀性是必须面对的挑战。

缺点:本身电感的应用,限制了线路的尺寸以及高度,并且带来工程设计人员不愿意面对的问题-EMI处理,尤其在靠近射频部分,需要针对干扰做专门的处理,否则会导致射频接收灵敏度降低,甚至带来音频部分的干扰,例如音频输出电流干扰声。另外,在这种应用情况下,如果一个LED发生故障就会导致整串LED失效,这是人们不愿意看到的结果。

2. 电容式电荷泵驱动模式

这是一种比较新的驱动方式。简单来说电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升,采用电容器来贮存能量。因工作于较高频率,可使用小型陶瓷电容器(1μF),占用空间最小,使用成本较低。电荷泵有两种工作模式,恒压模式,恒流模式。

1)恒压模式电荷泵。圣邦微电子的SGM3110就是采用恒压模式的电荷泵,由于恒压模式电荷泵的工作特性,本身具有高开关频率以及大峰值的瞬态电流,因而需要工程师在PCB布板部分额外注意,一般要求外围的电容尽可能靠近器件本身,外围布线要尽量短,本身需要周围的PCB地尽可能大,外围电容也要尽量直接接到SGM3110的地上,如果布线限制,则可以通过大的PCB过孔以及多个过孔来实现良好接地。

效率计算方法:η=Iout*Vout/Iin*Vin

由于器件本身存在开关损耗以及电容漏电,因而实际效率要比该值低一些,这跟生产厂家的工艺技术有关。采用这种LED驱动模式的优点在于,可以简化外围线路、降低产品成本。尤其在小尺寸屏的情况下,1-2个LED做屏幕背光；或者用做闪光灯驱动,在100mS内达到250mA电流的输出；或者是简单的DC/DC 5V升压简化版本,替代电感DC/DC升压,降低成本以及产品EMI问题。缺点在于只有简单的两倍升压模式,效率较低,大多数时间效率低于70%,实际利用效率更低,其中有相当一部分消耗在限流电阻上。在驱动多个LED的时候,背光一致性完全依赖于LED以及限流电阻的精度。

2)恒流模式电荷泵。为了进一步提升LED驱动的效率,圣邦微电子在2008年第二季度推出带有1X、、2X升压的恒流模式电荷泵SGM3123,对于恒流模式的电荷泵来讲,通过内部的逻辑控制来实现对每一路LED实现均流,使LED的亮度保持相等,与此同时,尽可能地提高LED的驱动效率。

在这种应用中,通过电流镜像控制技术使LED的亮度一致性得到保持,每一路的LED电流误差不超过2%,并且1X、升压模式使驱动LED的效率得到兼顾,LED在大部分工作时间内,驱动效率可以保证在80%以上。典型应用线路如图2所示。

图2:恒流模式电荷泵SGM3123的典型应用线路。

利用不同的阻值来设置LED输出电流:I_LED=Gain*VIset/RIset。不同厂家Gain系数不同。人们在对电荷泵技术革新的同时,也发现利用它驱动LED相对于DC/DC的一系列优点,降低成本,缩小驱动板的尺寸,避免EMI干扰。

3. 对于成本及性能的追求,也存在着一系列其他的驱动方式例如低边LED驱动。相比较恒流模式的电荷泵,仅缺少电荷泵升压,对于电流的恒流处理部分则相同。成本与电流模式电荷泵比相对较低。缺点在于,纯线性处理,当电池电压降到较低,例如,在突发大负载的情况下:手机接打电话或者拍照,MP3播放音乐,MP4播放影片,会造成电压波动,电压会下降0.1~,那么在系统电压会瞬间降到甚至更低,不能保证LED的正常亮度,存在屏幕亮度明显变化的缺陷。

圣邦微电子已获得广泛应用的LED驱动芯片产品。

4. 成本的压力促使采用更低成本的LDO来做系统背光。用LDO作LED驱动与上述方案比较,除了成本较低,无论是电压模式电荷泵SGM3110驱动3个以上LED会存在亮度不均匀的缺点,还有低边驱动电压不稳导致亮度变化的缺点都存在。

作为一家专注于高性能、高品质模拟/混合信号集成电路研发、生产和销售的半导体公司,圣邦微电子目前瞄准下一代多媒体显示技术,在不久的将来会开发出越来越多适应市场应用需求的产品,例如7通道DC/DC,多路PMU,单路DC/DC开关电源以及各种LED驱动(DC/DC、电荷泵、低边驱动)。

目前圣邦微电子已有10个系列200多种产品,可广泛应用于手机、DVD、数码相机、笔记本电脑、汽车电子、工业自动控制、医疗仪器、液晶显示和军工国防等众多领域。圣邦拥有先进的品质保证体系,已于2004年通过ISO9001认证,全部产品都符合RoHS规范。

作者:吕亮
产品线经理
圣邦微电子公司