1、白光 LED 驅動電路設計最近幾年行動電話、PDA 等可攜式電子產品的液晶顯示器逐漸從黑白銀幕更換成彩色銀幕，由於液晶本身不會發光所以液晶顯示必需利用背光照明單元顯示銀幕的資訊。可攜式電子產品的背光照明單元基於耗電性等考量，因此白光LED 正當快速取代傳統燈泡，成為背光照明單元主要發光元件。為了使白光LED 點燈必需使用高順向電壓 VF 與順向電流 IF，尤其是背光照明單元的電流控制，對可攜式電子產品的電池動作時間具有絕對性影響，因此本文將深入探討白光 LED 背光照明單元的動作原理與驅動電路的設計技巧。LED 的驅動特性圖 1 是一般穿透式彩色液晶顯示器的結構，由圖可知 LCD 面板下方設有
2、白光 LED 光照明單元，白光LED 產生的光線經由導光板的反射均勻擴散射入 LCD 面板內，提供彩色畫面給使用者讀取。圖 1 穿透式彩色液晶顯示器的結構如圖 2 所示傳統背光照明單元的白光 LED 是並聯驅動，由於白光 LED 的亮度因負載電抗 RL的阻抗值使得電流 IF受到限制，也就是說白光 LED 的亮度取決於電阻的阻抗值。然而白光 LED 的電壓 VF本身具有不同的波動範圍，因此相同的電阻會使白光 LED 的亮度產生分佈不均現象。圖 2 傳統背光照明單元的白光 LED 的驅動方式如上所述白光 LED 的亮度若不相同時，背光照明單元的光線就會有所謂的照明不均問題，雖然使用電氣特性相同的
3、LED 可以改善亮度不均的困擾，不過實際上卻無法對 LED 廠商作如此要求。此外配合各 LED的電氣特性，逐一調整負載電阻的阻抗值，事實上這種方式並非根本的對策。為了使流入 LED 的電流完全相同，所以將串聯方式改成圖 3 所示的串聯方式，如此一來即使 LED 的電壓具有不同的波動值，由於流入各 LED 的電流 ILED相同，因此各 LED 產生的輝度幾乎一致。圖 3 LED 的串聯驅動方式每個白光 LED 最少需施加 3.6V 以上的驅動電壓才能獲得預期的輝度，由圖 3 可知當複數個白光 LED 串聯連接時，相對的必需等比例提高驅動電壓。圖 4 是利用 switching regulator
4、 IC NJM2360 構成白光LED 驅動電路，該電路是施加 1.25V 的電壓 VREF至 INVIN端子藉此方式決定 RL的阻抗值，也就是說決定白光 LED 亮度的各 LED 電流 ILED可由下式求得:假設各 LED 的電流 ILED為 15mA， RL約為 830，三個 3.6V 白光 LED 的電壓 VF並聯連接時，LED整體的驅動電壓 VLED 為:VLED= VREF + NVF= 1.25 + 3x3.6= 12.05 (V)N : 並聯連接的 LED 數量圖 4 利用 switching regulator IC 驅動白光 LED 的電路白光 LED 點燈時需要 15MA
5、的電流 IF ，不過周圍很黑暗的環境時，往往不需作全開驅動，此時可控制驅動電流抑制 LED 的亮度，進而降低 LED 的耗電量，這對使用電池的可攜式電子產品而言，乃是非常重要的節約電流技術。有關驅動電流控制技術常用的方法是利用 PWM 信號作控制，該方法經常被應用在其它領域，例如馬達控制或是聲音信號處理等等。由於 PWM 信號可使 switching regulator 作ON/OFF，因此它可使 LED 的輝度穩定化，同時還可以確保電池長時間的動作特性。由圖 5 可知周圍溫度一旦超過 500C，白光 LED 的容許順向電流會大幅降低，在此情況下如果施加大電流，很容易造成白光 LED 老化，為
6、了減緩白光 LED 的老化速度，所以必需利用周圍溫度調整基準電壓 VREF ，藉此減少電流的供給。根據以上的說明可歸納下列結論: 白光 LED 的電壓 VF非常高。 電壓 VF本身具有波動值。 衡時全開點燈會使白光 LED 的耗電量增加。 電源電壓變動會影響白光 LED 的輝度。為了使白光 LED 能穩定點燈，且不受電壓 VF 本身波動值以及電源電壓變動的影響，所以必需使用專門的白光 LED 驅動器。圖 5 周圍溫度與容許順向電流的關係白光 LED 的驅動電路基本驅動電路如圖 6 所示一般 switching regulator 是設法使 feed back 電壓 VFB，與內部基準電壓 VR
7、EF相等進而控制電壓，因此決定白光 LED 亮度的電流 ccc 可由下式(1) 求得。如果將周圍的亮度也列入輝度控制電路時，如圖 6 的白光 LED 驅動電路就變成圖 7 所示的結構。圖 7 的電路與圖 6 的電路最大差異點，是圖 7 的電路增加設置 photo transistor Tr1、電阻 R1 與 R2voltage follower 的 OP 增幅器(演算增幅器)IC 1 ，此時流入 Tr1輸出電壓 VSENS與白光 LED 的電流 ILED可用下式表示:換句話說利用上式驅逐白光 LED 的場合，必需作下列調整作業:為獲得周圍亮度必需調整照度感測器(sensor)的輸出電壓 VSE
8、NS。利用輸出電壓 VSENS調整白光 LED 的亮度。圖 6 switching regulator 構成的基本 LED 驅動電路圖 7 利用周圍照度控制 LED 輝度的驅動電路利用 PWM 信號使 switching regulator 作 ON/OFF 的輝度控制電路上述圖 7 的驅動電路是在 feed back 電壓進行輝度控制，相較之下圖 8 是利用 PWM 信號使 switching regulator 作 ON/OFF 控制輝度。圖中的 EN 端子是可使 switching regulator 作 ON/OFF 的端子，如果對 EN 端子施加 PWM 信號，白光 LED 會以某種
9、速度作 ON/OFF，進而獲得控制輝度的預期效應，這種情況必需設置可使 photo transistor Tr1的輸出轉換成數位值的 A-D 轉換器(converter)，以及可從數位值產生 PWM 信號的電路。利用 PWM 信號控制白光 LED ON/OFF 的場合，流入白光 LED 的平均電流 ILED(avg)可用下式表示: 圖 8 利用 PWM 信號控制 LED 輝度的驅動電路白光 LED 專用驅動電路接著要介紹白光 LED 專用驅動電路用 NJU6502 IC。圖 9 是 NJU6502 IC 的電路方塊圖，NJU6502 IC 除了 switching regulator 之外，還
10、具備 photo transistor 輸入電路、A-D 轉換器、PWM 控制器，以及可從微控器(micro controller)設定內部阻抗值與動作模式的 serial interface。PWM 控制用電阻(resistor)共有 8 個，每個電阻都可任意 設成 6 位元，各電阻可利用周圍照度亦即 photo transistor 產生的輸入電壓作選 擇，換句話說輝度的控制可由 64 階段的其中任意 8 階段執行，此外周圍照度亦可由微控器直接控制輝度。圖 9 NJU6052IC 的電路方塊圖NJU6052IC 的應用實例由圖 10 可知 NJU6052 IC 除了可以作升壓與輝度控制之外
11、，電路本身的外置元件非常少。NJU6052 IC 的各元件參數(parameter)取決於下列條件:負載阻抗 RL 由於內部基準電壓 VREF為 0.6V，因此負載阻抗 RL可利用流入 LED 的電流 ILED以及下式求得:內部振盪器的電容量 Cx內部振盪器的電容量 Cx可利用圖 11 的座標圖求得。由於振盪頻率 fOSC 介於 350kHz500kHz 之間，因此內部振盪器的電容量 Cx 約為 47pF68Pf 左右。L 1的電感值(inductance)L1的電感值(inductance) 可用下式求得 :二極體的選用由於二極體是用於 switching regulator，因此選用時必需
12、注二極體的定格電流與逆向耐壓裕度。此外順向電壓越低，switching 的速度越快，電力轉換效率就越高，因此可選用 shot key barrier 二極體。pass control 的選用輸入端可選用積層陶瓷積層陶瓷電容器，而且組裝時盡量設於 IC 附近。此外輸出端基於抑制波紋(ripple)電壓等考量，因此建議選用低 ESR 的電容。雖然輸出端也可以使用積層陶瓷電容器，不過必需注意的是如果電容量太大時放電時間會變長，進而造成與 PWM 信號的 duty 比成一定比例的調光控制無法進進行。圖 10 利用 NJU6052KN1 IC 構成白光驅動電路圖 11 Cx與 fOSC 的關係結語以上介
13、紹有關可攜式電子產品的液晶顯示器用白光 LED 的驅動技術，白光 LED 專用的驅動 IC 可使驅動電路獲得小型、高點燈效率等特性，進而使可攜式電子產品的電池延長動作時間。蒁蒇肈肀芄螆肇膂蒀螂肆莅节蚈肅肄薈薄蚁膇莁蒀蚁艿薆蝿蚀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膃莇蒇螇芆膀袅螆肅蒆螁螅膈芈蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿螃肂蒂螈袂膄芅蚄袁芆蒁薀袀羆芃薆衿膈蕿蒂衿芁莂螀袈羀薇蚆袇肃莀薂袆膅薅蒈羅芇莈螇羄羇膁蚃羄聿莆虿羃节腿薅羂羁蒅蒁羁肄芈蝿羀膆蒃蚅罿芈芆薁肈羈蒁蒇肈肀芄螆肇膂蒀螂肆莅节蚈肅肄薈薄蚁膇莁蒀蚁艿薆蝿蚀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膃莇蒇螇芆膀袅螆肅蒆螁螅膈芈蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿螃肂蒂螈袂膄芅蚄袁芆蒁薀袀羆芃薆衿膈蕿蒂衿芁莂螀袈羀薇蚆
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