电池供电产品的LED控制问题

    关键词：白光LED 便携式产品 DC-DC转换器

1 概述

LED为电流驱动器件，光输出强度由流过二极管的电流决定。图1是由电压源和限流电阻构成的一种简单偏置电路，流过LED的电流由下式确定：IDIODE=(VCC-VF)/[RLIM+RDS(ON)]这种方式成本较低，但不同的二极管VF（正向电压）的参数一致。图2、图3表示25℃时LED的正向电压（典型值）与导通电流关系曲线。从电流指标可以看出：对于GaAsP二极管，VF可以上升到2.7V（+40%）；对于InGaN二极管，VF可以上程式到4.2V（+20%）。如果系统中需要多个LED，如蜂窝电话背板显示器采用8个LED，则按照图1的设计方案将需要多个限流电阻，占用较大的线路板面积。
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    如果将Vcc增大到VF的10倍以上可以减少VF变化的影响，但耗电较大，不符合电池供电产品的需求。对于采用单片Li+电池供电的系统，Li+电池电压的变化范围为4.2～3V。如果LED的偏置电路只是简单的由Li+电池和限流电阻提供，输出亮度将会产生明显的变化。合理的方案应该是采用电流偏置电路。

2 电流偏置电路

电流偏置电路实际上是用1个电流源为LED提供偏置。如果电流源具有足够的动态范围，这种偏置方式将不受VF变化的影响。图4为电流偏置方案的原理框图。该电路将图1中的限流电阻用电流源替代。光输出强度与电源和正向电压无关，只要有足够的电源电压为电流源和LED提供偏置即可。图4中Q1为使能控制开关。

MAX1916等专用LED驱动芯片提供了一种先进的LED电流偏置电路。MAX1916在微型SOT23封装内集成了3组电流源，流过RSET的电流镜像到3个输出端，如图5所示。电路中几个相同的MOSFET具有相的栅-源电源，因此，它们的沟道电流相同，电流的大小由镜电流ISET决定。MAX1916的电流最大失配度为±5%，“镜像系数”为200A/A。也就是说，当ISET为50μA时，每个输出端的电流为10（1±0.05）mA（最大）。SET端由内部偏置在1.25V。ISET由下式决定：

ISET=(Vcc-1.25V)/RSET

IOUT=200ISET，每路电流之间偏差为±5%。输出端饱和电压：

    VOUT（SAT）=RD-S·IOUT

MAX1916的漏源电阻在整个温度范围内保证不高于50Ω,一个工作电流为2mA的GaAsP二极管保证正常工作所需要的最低电压是：VF+100mV，2.71V的输入电压能够将将GaAsP LED工作电压保护到2.7V。为了获得更低的压差和更高的输出电流，可以将MAX1916的三路输出并联构成“镜像系数”为600的电流源，如图6所示，并联后的漏源电阻为50/3=16.67Ω(最大值)。这种连接方式允许单个白光LED在3V供电时电流达到20mA以上，满足目前便携式蜂窝电话等产品的背光要求。用于设置端电流的电压源可以由带载能力较强的主电源单独提供，例如，在蜂窝电话中，VSET可以由射频（RF）电路的低噪声+2.8V电源提供。如果直接由单节Li+电池供电，MAX1916适用于驱动正向电压较低的GaAsP LED，而对于正向电压较高的InGaN白光LED则需采用其它驱动方案。因为Li+电池供电时，随着电池的放电，输入电压可能无法满足LED所要求的偏置电压。